界面调控设计高效氧化石墨烯层状膜用于海水淡化的理论研究

为解决传统氧化石墨烯(GO)膜水通量与脱盐效率难以协同提升的问题，研究人员通过分子动力学(MD)模拟设计了具有交替疏水/亲水区域的GO层状膜。研究发现平行压力方向的1/3非氧化区域可使水通量提升313%（20%氧化度时），同时保持90%以上的脱盐率，揭示了疏水区作为"水分子高速公路"的机制，为高性能脱盐膜设计提供了新思路。

　　

随着全球水资源危机加剧，膜分离技术因其低能耗特性成为解决淡水短缺问题的关键。氧化石墨烯(GO)层状膜凭借可调控的纳米通道结构，在海水淡化领域展现出巨大潜力。然而传统GO膜面临核心矛盾：氧化区域的水分子传输摩擦阻力与脱盐效率呈正相关，但会显著降低水通量。现有研究多聚焦于随机分布含氧基团的GO膜，对亲水/疏水区域的空间排布规律缺乏系统认知。新疆大学的高海琪团队通过理论设计，在《Separation and Purification Technology》发表研究，揭示了界面调控对GO膜性能的突破性影响。

研究采用分子动力学(MD)模拟构建4.2×4.84 nm²的GO层状通道模型，对比分析完全氧化膜与含1/3非氧化区域的S型（交错分布）、P型（平行压力方向）通道的性能差异。通过计算水分子净通量、离子排斥率等参数，结合氢键网络分析和能垒计算，阐明传输机制。

Models and simulation details
建立含羟基(-OH)功能化的GO原子模型，设置0.98 nm固定层间距模拟真实水环境。通过调节氧化区域占比（20%-100%）构建不同通道构型，采用SPC/E水模型和SHAKE算法进行纳秒级模拟。

Results and discuss
P型通道在20%氧化度时水通量达完全氧化膜的3.13倍，归因于疏水区形成的低摩擦"高速公路"。随着通道长度增加，含非氧化区域的膜表现出更缓慢的水通量衰减（仅降低37% vs 完全氧化膜的52%），且脱盐率同步提升至93%。分子机制分析显示，氧化区域的羟基通过形成强氢键（键能约23.4 kJ/mol）阻碍水分子翻转运动，而疏水区维持了连续的水链结构。

Conclusion
该研究首次证实GO片表面亲疏水区域的定向排列可突破水通量-脱盐率权衡效应。P型通道设计使水分子在疏水区获得平均0.12 nm/ps的迁移速度，较氧化区提升近3倍。这种界面调控策略为开发新一代高性能脱盐膜提供了理论基石，其揭示的"区域功能化"原理可拓展至其他二维材料膜设计领域。

研究同时指出，实际应用中需优化非氧化区占比（建议20%-30%）以平衡机械强度与渗透性能。新疆团队获得的发现不仅推动膜科学进步，对实现联合国可持续发展目标(SDG)中的清洁饮水和卫生设施目标具有重要实践价值。