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23
2026
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ACS Nano: “柔韧有序层”,用石墨烯–有机框架打造高选择性离子分离膜
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背景
在当今的水资源与能源双重危机中，电渗析（ED）作为一种节能型脱盐与资源回收技术，正被广泛关注。该技术依靠离子交换膜（IEMs）在电场驱动下实现离子的定向迁移，从而实现高效脱盐与水回用。然而，传统离子交换膜在单价/二价阳离子（如Na⁺/Ca²⁺或Li⁺/Mg²⁺）分离方面存在明显不足——其选择性低、固定且不可调。这不仅限制了ED在不同水源条件下的适配性，也导致饮用水、农业灌溉、锂盐回收等应用中难以实现“按需分离”的目标。近年来，共价有机框架（COFs）因具备精确的孔径调控和丰富的化学功能，被视为新一代离子筛膜材料。但其力学脆弱性成为主要障碍：纯COF膜易在电渗析运行压力下破裂或分层，无法稳定运行。因此，如何在保持COF高选择性的同时，提升其机械强度与结构稳定性，成为实现高性能ED膜的关键科学问题。
创新
近日，美国莱斯大学楼峻教授团队提出一种“砖-泥结构”的石墨烯氧化物（GO）–COF复合膜设计策略，实现了兼具高机械强度与高离子选择性的电渗析膜。
结构创新：刚柔并济的“砖-泥”层状结构
研究团队采用“硬”GO纳米片作为“砖”，与“软”含磺酸基的COF层（NUS-9）交替堆叠形成层状复合结构。GO层提供机械骨架与稳定性，而COF层提供高密度负电荷与可控纳米通道，实现稳固且导离子高效的双功能界面。
可调机制：比率调控实现选择性优化
通过调节GO与COF比例，研究者实现了单价/二价离子选择性的可控调节。Na⁺/Ca²⁺选择性高达15.34，Li⁺/Ca²⁺选择性为6.99，且电荷效率超过75%。这种“组分–结构–性能”耦合的可调性为“按需分离”提供了材料基础。
性能突破：兼具韧性与分辨力的高稳定膜
力学测试显示，复合膜断裂强度由纯GO的4.7 MPa提升至18.3 MPa，显著优于传统COF膜，能够直接应用于实际ED模块中。复合膜在高盐度模拟卤水中亦保持结构与性能稳定。
意义
该研究通过分子界面工程与仿生层状结构设计，解决了COF膜长期以来的“高选择性但脆弱”的技术瓶颈。
科学意义：
该工作揭示了二维材料界面协同对离子传输行为与机械强化的双重贡献，建立了“刚柔耦合–界面电荷–离子筛分”的系统设计思路，为探索COF类膜的结构稳定性提供了新范式。
技术意义：
GO/COF膜不仅在单价/二价离子分离上性能突出，还展示出高机械强度与长期运行稳定性，为电渗析、废水回收与高盐体系资源提取提供了可工业化路径。
应用前景：
该材料有望应用于海水淡化、锂盐提取、含钙镁废水处理等领域，为实现“能效高、可调节、可持续”的智能分离体系奠定基础。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/FzQt67xPAliB6EhAjKnjcg
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