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氧化石墨烯膜（GOMs）是能源、水处理与环境应用中极具潜力的离子分离材料。然而，关于共离子种类、浓度及离子缔合如何定量调控GO纳米通道内吸附与传输的认知仍十分有限。研究人员结合平衡吸附测量与浓度梯度驱动及电场驱动的传输实验，量化了GOMs在Na2SO4、MgS
氧化石墨烯膜（GOMs）是能源、水处理与环境应用中极具潜力的离子分离材料。然而，关于共离子种类、浓度及离子缔合如何定量调控GO纳米通道内吸附与传输的认知仍十分有限。研究人员结合平衡吸附测量与浓度梯度驱动及电场驱动的传输实验，量化了GOMs在Na2SO4、MgSO4和NaNO3体系中平衡后的单离子扩散系数，并以氯盐体系作为基准。结果表明，MgSO4溶液中Mg2+的摄取低于MgCl2；在镁基与钠基体系中，硫酸根浓度均低于对应一价共离子。与之相反，硝酸根优先吸附于膜石墨化区域，从而降低反离子而非共离子浓度。吸附过程中外液pH监测显示，硫酸盐体系的质子释放随外盐浓度升高而下降，不同于氯盐与硝酸盐体系；该现象与NaSO4?和MgSO40离子对（ion pairing）形成及硫酸根形态变化（含HSO4?、NaHSO4）一致。结果显示反离子扩散系数对共离子种类与外浓度不敏感，而共离子扩散依赖外浓度。将离子配对纳入传输框架后证实，离子对随外浓度升高愈发主导，但对扩散系数影响极小。上述发现为理解GOMs中吸附-传输耦合提供了统一基础，支撑水处理与电化学膜设计。
研究背景与立项依据
氧化石墨烯膜（Graphene oxide membranes，GOMs）凭借可调层状纳米通道，在 desalination 与选择性离子去除中展现出高渗透性与一价/二价阳离子选择性。然而实际服役受溶胀、结构不稳定及经典模型局限制约。既有研究多聚焦氯盐体系，并常假设膜内离子浓度等于外液浓度，忽视了共离子化学态、离子缔合与纳米限域（nanoconfinement）对吸附-传输耦合的影响。硫酸根与硝酸根广泛存在于天然水体与工业废水中，其特定离子效应、离子配对（ion pairing，带异种电荷离子在溶液中缔合形成联合体的现象）可能改变自由离子数量与表观传输行为，但相关基础传输参数长期缺失。为此，研究人员在《CARBON》发表工作，系统量化硫酸盐与硝酸盐体系中GOMs的离子吸附、单离子扩散系数及离子配对贡献，弥补共离子依赖机制的认识空白。
主要技术方法
研究人员以自支撑GOMs为对象，采用显微与湿态X射线衍射（XRD）表征层间距与有效孔径；通过灰化-ICP-OES测阳离子吸附、解吸-离子色谱（IC）测阴离子吸附并同步记录外液pH以追踪质子释放；利用侧边扩散池开展浓度梯度驱动渗透实验，结合四腔电化学池交流/直流电阻测量获取膜离子电导；将吸附量、渗透率与电导数据代入Nernst-Planck框架解耦反离子与共离子扩散系数，并对硫酸盐体系引入NaSO4?与MgSO40离子对模型，辅以Raman与衰减全反射傅里叶红外光谱（ATR-FTIR）探查膜内离子物种。
研究结果
3.1 水摄取
通过厚度与吸水率分析发现，钠盐体系水摄取差异小，而MgSO4较MgCl2显著更高，源于硫酸根水化半径更大；有效孔径大于各离子水化直径，说明无需脱水即可进入通道。
3.2 吸附等温线结果
以Freundlich模型拟合 counter-ion 摄取，MgSO4体系常数最低，固定电荷基团浓度也低于MgCl2，表明硫酸盐抑制Mg2+交换吸附。
3.3 离子吸附结果
Mg2+在MgSO4中摄取低于MgCl2，SO42-共离子浓度亦低；pH示踪显示硫酸盐体系质子释放少，可归因于中性MgSO40与HSO4?形成降低自由Mg2+与去质子位点。钠体系中NaNO3的NO3?优先占据sp2石墨区，削弱Na+-H+交换，使Na+摄取与释氢低于NaCl。
3.4 Donnan模型结果
引入Pitzer活度系数计算膜相平均离子活度系数，MgSO4最低，反映强非理想性与离子配对；Na+体系顺序为NO3? > Cl? > SO42-，与体相趋势一致。
3.5 盐渗透率与扩散性
由溶液-扩散模型得盐扩散系数，镁盐低于钠盐；硫酸盐体系均低于对应非硫酸盐，归因为二价硫酸根尺寸、静电排斥与离子配对。
3.6 膜离子电导
AC/DC电阻一致，电导随外浓升高而升；共离子种类对电阻影响弱，钠体系电导高于镁体系。
3.7 离子扩散率
反离子扩散系数基本不随外浓与共离子种类变化，钠体系较镁体系高约一个量级；共离子扩散在>0.1 M时Cl?快于SO42-。
3.8 离子形态与配对对扩散影响
构建硫酸盐离子对框架，NaSO4?与MgSO40随外浓升高占比增大但浓度仍低于自由离子；计入配对后单离子扩散系数几乎不变。Raman未检出硫酸根特征峰，ATR-FTIR证实硫酸物种存在但未直接证实接触离子对。
总结与结论翻译
讨论指出，吸附-传输解耦揭示反离子迁移对共离子化学不敏感，而共离子传输受浓度与形态调控；离子配对虽在热力学上增强，却未显著改变表观扩散系数，说明GOMs传输阻力主要来自纳米限域与电荷环境而非缔合态本身。
结论：本研究通过实验与模型结合，量化了Na2SO4、MgSO4与NaNO3体系中GOMs的平衡吸附与单离子扩散，证明Mg2+与SO42-在MgSO4中摄取低于MgCl2；硫酸盐体系质子释放随外浓升高而抑制，符合NaSO4?、MgSO40离子对及HSO4?形态偏移。反离子扩散对共离子身份与外浓不敏感，共离子扩散依赖外浓并在硫酸盐中减弱。离子配对随浓度增强但对扩散系数影响极小。该工作为GOMs吸附-传输耦合提供统一认知，支撑水处理与储能膜设计。
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