智能溶剂响应型石墨烯基分级分子筛膜的设计与应用

研究人员针对复杂体系分级分离的难题，通过将多孔石墨烯(PG)嵌入氧化石墨烯(GO)膜，开发出可逆响应溶剂类型的智能膜材料。该膜在水/甲醇中分别实现45.52/13.56 L m-2 h-1 bar-1的高渗透通量，其分子量截留阈值(MWCO)可从~319 g mol-1(水相)智能切换至960 g mol-1(甲醇)，通过调控GO-PG纳米通道的溶剂依赖性膨胀行为，首次实现单膜多溶剂体系的分级分离，为绿色化工分离提供新范式。

　　

在生物体内，细胞膜能根据环境变化动态调节物质传输行为，如脂质膜在乙醇作用下会因氢键作用发生结构膨胀，从而改变渗透性。受此启发，开发能响应溶剂类型的智能分离膜成为膜科学领域的重要挑战。传统聚合物膜虽可实现溶剂响应筛分，但有机溶剂稳定性差；而石墨烯基膜虽具有优异稳定性，却缺乏智能响应特性。如何构建兼具高稳定性和动态响应性的分离膜，实现复杂体系的高效分级分离，成为亟待解决的科学难题。

清华大学和合作团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地将多孔石墨烯(PG)与氧化石墨烯(GO)复合，构建出具有溶剂响应特性的智能膜材料。通过系统研究GO-PG纳米通道在不同溶剂中的动态行为，发现该膜能根据溶剂类型可逆切换分子筛分性能：在水相中通过GO-GO纳米通道实现小分子(~319 g mol^-1)精确筛分；在甲醇中因GO-PG通道的显著膨胀(d_甲醇^GO-PG≈1.9 nm vs d_水^GO-PG≈0.9 nm)使MWCO提升至960 g mol^-1。这种"智能开关"特性源于甲醇分子与通道壁的强氢键/偶极-π作用，以及纳米限域下较弱的甲醇-甲醇相互作用网络。

研究采用分子动力学模拟结合实验验证的方法：通过Hummers法制备GO，镍盐蚀刻法制备PG(孔径30/70 nm)；采用真空抽滤组装GO/PG复合膜；利用死端过滤装置测试渗透通量(J)和截留率(R)；采用XRD表征溶胀行为；通过MD模拟解析溶剂-通道相互作用机制。

主要研究发现：

1. 膜性能优化：当PG含量为40 wt%时，膜在水相中保持100%对维多利亚蓝(VB,506 g mol^-1)的截留率，水通量达45.52 L m^-2 h^-1 bar^-1，较纯GO膜提升近15倍。

2. 溶剂响应特性：甲醇中MWCO切换至960 g mol^-1，且能通过调节水/甲醇体积比(30%阈值)实现截留率的连续调控。这种切换在150小时内保持稳定，并可逆循环30次以上。

3. 分级分离应用：通过单膜两步法成功分离三元体系(酚/VB/RR195)：先在水相截留大分子(VB/RR195)，再在90%甲醇中允许VB透过，最终实现三种分子分级回收，回收率>95%。

4. 机制解析：MD模拟揭示甲醇在GO-PG通道中形成"羟基朝GO、甲基朝PG"的定向排列，其氢键数(2.06)远低于水(3.76)，导致溶剂网络松散化，促使通道膨胀。长链醇(丁醇/戊醇)因甲基链增长使非极性作用增强(丁醇9个/戊醇11个作用位点)，导致溶胀程度降低，MWCO切换值相应减小(丁醇792 g mol^-1/戊醇452 g mol^-1)。

该研究突破传统膜材料依赖静态孔道设计的局限，通过仿生构建动态响应的GO-PG纳米通道，首次实现石墨烯基膜的溶剂响应型分级筛分。这种"单膜多模式"分离策略可替代能耗高的蒸馏/色谱技术，在制药、化工等领域的复杂体系分离中展现出巨大应用潜力。研究提出的"溶剂-通道相互作用调控"设计原则，为发展新一代智能膜材料提供了全新思路。