近日，化工学院分离膜与能源材料课题组，以典型的二维层状材料氧化石墨烯为研究对象，通过设计合成了一种球形聚电解质刷，并将其引入到氧化石墨烯膜的二维限域空间内，以构筑快速的水传输通道用于生物燃料的渗透汽化脱水。该研究工作以“Ultrafast Water Transport in Two-Dimensional Channels Enabled by Spherical Polyelectrolyte Brushes with Controllable Flexibility”为题，在线发表在Angewandte Chemie International Edition上。
生物质燃料的能源化利用是实现“碳中和”更经济有效的技术路线。基于膜分离过程的生物燃料纯化技术是一种绿色高效的分离手段，有望为进一步提高生物燃料经济性及其大规模利用提供解决策略。二维材料及二维材料膜在能源领域应用广泛，该课题组在前期工作中（Front. Chem. Sci. Eng. 2021, 15, 820-836； Green Energy Environ. 2021, 6, 193-211；）系统总结了二维分离膜在氢气分离，生物燃料纯化及电池隔膜（氢燃料电池、全钒液流电池及锂硫电池）中的应用。然而，构建具有快速水传输能力的高性能二维膜仍然面临着渗透性与选择性之间的Trade-off效应挑战。
研究发现，在氧化石墨烯二维限域通道内引入功能性聚丙烯酸链接枝的球形聚电解质刷，可以在膜层内形成丰富的具有超快水分子传输位点。二维膜的渗透通量达到5.23 kg m-2 h-1以及丁醇/水的分离因子达到~8000，相比于纯的GO膜有了大幅度提升。
为了进一步探究二维限域通道内的水传输机理，研究人员将耗散型石英晶体微天平测试和分子模拟相结合，首次发现在膜层内水传输能力不完全取决于聚电解质链的亲水性，深度揭示了二维限域通道中水分子迁移与聚电解质链柔韧性之间的结构-性能关系。该工作为在二维限域空间内构建快速水传输通道提供了一种新策略，有望为设计制备具有更加优异性能的二维膜提供新的思路。
该研究工作第一作者为我校化工学院2018级博士研究生代立恒和博士后徐放，通讯作者为我校青年教师徐至教授，共同通讯作者为南京工业大学化工学院金万勤教授和黄康副教授。该研究工作得到了郭旭虹教授的大力支持，并得到了国家自然科学基金的资助。
