分子工程构建大尺寸纳米多孔单层石墨烯膜实现高效离子筛分

针对传统纳米多孔石墨烯膜孔径分布宽、表面电荷调控难的问题，华中科技大学等团队开发了分子锚定技术，通过自下而上法可控制备具有窄孔径分布和正电荷特性的单层石墨烯膜。该膜通过选择性修复>0.7 nm孔隙形成离子选择性栓塞，实现K+/Na+=20、K+/Mg2+=330的超高选择性，在锂电浸出液处理中Li+/二价离子选择性>900，为资源回收提供了新方案。

　　

在膜分离技术领域，实现埃级精度的高效离子筛分一直是科学家追求的目标。传统聚合物膜受限于厚度与孔径均一性，难以突破渗透性与选择性的"trade-off"效应。原子级厚度的石墨烯膜因其理论渗透率可比传统膜高3个数量级，成为突破这一瓶颈的理想材料。然而现有制备方法存在根本性缺陷：等离子体刻蚀等自上而下法产生的孔径呈宽对数正态分布，且难以精确调控孔道化学性质，导致非选择性孔隙严重影响分离性能。

针对这一关键科学问题，华中科技大学联合国内外团队在《Nature Communications》发表创新成果。研究采用分子动力学模拟指导实验设计，通过浓度驱动测试和电化学表征验证性能，结合AFM-IR（原子力显微镜-红外联用）和AC-HRTEM（像差校正高分辨透射电镜）等先进表征手段，系统研究了膜结构与性能关系。

机械增强的纳米多孔石墨烯膜部分
研究团队开发了一步催化低温合成技术，制备出由纳米多孔碳（NPC）增强的单层石墨烯复合膜（PNG）。通过精确控制镍箔退火工艺和前驱体配方，获得厚度仅120 nm的均匀薄膜。AC-HRTEM显示最可几孔径为1.3 nm，拉曼光谱（I_D/I_G=4.8×10¹¹ cm^-2）证实其缺陷密度与等离子体处理单层石墨烯相当。跨膜电导测试测得平均孔径1.38 nm，与直接观测结果一致。该膜对四环素（1.4 nm）的截留率>90%，同时保持NaCl的高通量（0.6-1.2 mol/m²/h）。

尺寸依赖的分子工程PNG部分
创新性地提出尺寸选择性分子锚定策略：选用分子尺寸介于K⁺（0.66 nm）和Li⁺（0.76 nm）之间的哌嗪（PIP，0.7 nm）作为"分子尺"，通过界面聚合选择性地在>0.7 nm孔隙处形成聚酰胺栓塞。XPS显示氮含量从2.8%增至5.4%，ATR-IR在1660 cm^-1出现酰胺特征峰，KPFM测得表面电位从-170 mV转变为+660 mV。AFM-IR证实栓塞呈非连续分布，分子动力学模拟显示>0.7 nm孔隙的反应自由能差ΔG达-5 kcal/mol。

分子锚定纳米多孔石墨烯膜的精确筛分部分
电驱动测试显示PIP修饰膜（MAP-PNG）的K⁺/Li⁺选择性达20.8，远超PEI修饰膜（1.7）。Boltzmann方程拟合证实分子锚定显著缩小孔径分布右尾。活化能测试表明K⁺、Li⁺、Mg²⁺的跨膜能垒分别为29.6、45.5和55.3 kJ/mol。MD模拟可视化显示K⁺可快速渗透而Mg²⁺完全受阻，理论验证了实验观测的K⁺/Mg²⁺选择性330。

实际锂离子电池回收应用部分
将厘米级MAP-PNG膜（可弯曲折叠）用于模拟锂电池浸出液（pH=2）处理，Li⁺通量保持0.021 mol/m²/h时，对Co²⁺/Ni²⁺/Mn²⁺的选择性>900，性能超越现有COF、MOF等材料。酸处理实验证实膜在苛刻条件下的稳定性。

该研究建立了"孔径-电荷"双调控的分子工程策略，突破了石墨烯膜制备的尺寸控制与功能化难题。提出的分子锚定技术可推广至其他二维材料，为高附加值资源回收、渗透能转换等应用提供了新材料平台。工作被审稿人评价为"在二维膜领域实现了从基础研究到实际应用的重要跨越"。