近期，上海大學(xué)吳明紅教授團(tuán)隊(duì)在石墨烯研究領(lǐng)域取得了重大突破。2017年10月9日，《Nature》 雜志在線發(fā)表了題為“通過(guò)離子控制石墨烯氧化膜層間距實(shí)現(xiàn)離子篩分(“Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing”)的研究論文。研究提出并實(shí)現(xiàn)了通過(guò)水合離子精確控制石墨烯膜的層間距，展示出優(yōu)異的離子篩分和海水淡化性能。

該工作由上海大學(xué)吳明紅團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所方海平團(tuán)隊(duì)、南京工業(yè)大學(xué)金萬(wàn)勤團(tuán)隊(duì)以及浙江農(nóng)林大學(xué)的研究人員發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)一起聯(lián)合攻關(guān)完成。

精確控制石墨烯膜的層間距在環(huán)境、能源材料等領(lǐng)域具有重要意義，尤其在水處理、離子/分子分離以及電池/電容等應(yīng)用領(lǐng)域中起到關(guān)鍵作用。對(duì)于石墨烯納米片，要實(shí)現(xiàn)其層間距固定并精確到十分之一納米這么小的尺度，其困難可想而知，更具挑戰(zhàn)的是，石墨烯膜在水溶液中還會(huì)發(fā)生溶脹導(dǎo)致分離性能?chē)?yán)重衰減。一直以來(lái)，研究者們利用納米技術(shù)操控、膜間修飾小分子等技術(shù)做了諸多努力但仍難以如愿。

研究提出了溶液中離子本身可以有效控制（氧化）石墨烯膜的層間距，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論模擬計(jì)算加以驗(yàn)證。同時(shí)利用上海光源的X射線小角散射（BL16B1）、精細(xì)吸收譜（BL14W1）以及紫外等表征手段證明了離子與石墨烯片層內(nèi)芳香環(huán)結(jié)構(gòu)之間存在水合離子-π相互作用。這樣的作用像“橋墩”一樣支撐石墨烯片層，精確控制了石墨烯膜的層間距，而不同大小的水合離子相當(dāng)于不同大小的“橋墩”，進(jìn)而對(duì)應(yīng)于不同的層間距。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)并觀測(cè)到石墨烯膜與不同的離子溶液作用后具有特定的層間距，這樣的間距可以小到一納米左右，而不同離子對(duì)應(yīng)的間距差異小于十分之一納米；當(dāng)石墨烯膜與水合直徑小的離子溶液結(jié)合后，具有更大水合直徑的離子就難以進(jìn)入石墨烯膜。因此，通過(guò)離子選擇可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯膜的層間距達(dá)十分之一納米的精確控制。此外，通過(guò)系列水合離子控制的多石墨烯復(fù)合膜，從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了不同離子間的精確篩分。

上海大學(xué)為論文第一單位，吳明紅教授和她的2014級(jí)博士生陳亮同學(xué)分別為論文的共同通訊作者和第一作者，2014級(jí)碩士生彭兵權(quán)同學(xué)為并列第一作者，參與此項(xiàng)工作的吳明紅團(tuán)隊(duì)成員還有徐剛教授、碩士生王佳俊、李德遠(yuǎn)、錢(qián)哲同學(xué)等。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、科技部、中國(guó)科學(xué)院、上海光源、北京超算中心、廣州超算中心以及上海超算中心的經(jīng)費(fèi)支持。

文章全文鏈接: https://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature24044