二维纳米流体膜表面电荷构筑及离子传输调控
日期：2022-11-22
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16 评论：0 核心提示：二维纳米流体膜是由二维纳米片堆叠而成的具有几纳米片层间隙的膜材料，其中离子传输具有水平和垂直两个方向。二维纳米流体膜因优
二维纳米流体膜是由二维纳米片堆叠而成的具有几纳米片层间隙的膜材料，其中离子传输具有水平和垂直两个方向。二维纳米流体膜因优异的离子传输调控功能（典型的如离子选择性）被广泛应用于能量转换和离子筛分等领域，其离子传输调控功能的产生主要归因于限域纳米级孔道的内表面电荷与离子之间的强相互作用。尽管表面电荷对离子传输具有重要作用，但是当前针对二维纳米流体膜表面电荷的产生原理、电荷构筑及调控方法缺乏系统总结和讨论，限制了高性能二维纳米流体膜的开发与应用。
近日，北京工业大学张倩倩、汪浩团队系统地综述了二维纳米流体膜的带电原理与表面电荷构筑方法(图1)，对于提高其离子传输调控能力具有重要意义。此外，团队总结了二维纳米流体膜离子传输调控在能量转换与水处理两个典型应用方面的最新研究进展，并讨论了二维纳米流体膜的发展前景与面临挑战。本工作综述的二维纳米流体膜的表面电荷构筑及改性方法，为高性能膜材料构筑及应用拓展提供了新思路。
图1 二维纳米流体膜的常用材料及其离子传输调控优势
当前研究报道的二维纳米流体膜的化学成分和晶体结构存在显著差异，导致带电原理、电荷密度和电荷极性的差异。二维纳米流体膜的带电机制主要分为基团电离、质子化和类质同象(图2、图3)。
基团电离是指从含有有机基团的二维材料中解离出带异号电荷的离子的过程。基团电离后产生的羧酸根、氧自由基阴离子和磺酸根使二维材料带负电。原子获得质子的过程称为质子化。具有空轨道的质子可以与含有孤对电子的杂原子(O、N、P等)以配位键的形式结合。例如，石墨相碳氮化物(g-C
3
N
4
)由富含氨基和亚氨基的三嗪和七嗪环组成。氨基和亚氨基在酸性条件下通过结合质子带正电。当pH值增加并超过等电点时，OH
-
的增加削弱了质子化的作用，使g-C
3
N
4
带负电。
类质同象指晶体结构中的某些离子、原子或分子的位置，被性质相近的其他离子、原子或分子所占据，但晶体结构、化学键类型保持不变的现象。由于发生异种原子取代，晶格内元素价态发生改变，导致剩余电荷的产生。类质同象机制是黏土基二维材料（蒙脱土、水滑石和高岭石等）表面带电荷的主要原因。
当前研究的二维纳米流体膜的电荷构筑及改性策略主要包括基团接枝、静电吸附、纤维插层和材料复合(图4)。基团接枝是指通过成键作用在二维纳米流体膜表面连接合适的支链或官能团的过程，接枝后膜的性质取决于原始膜和接枝支链的特性。静电吸附是指膜表面的固有电荷通过静电作用力与带相反电荷的材料结合的过程，进而改变膜的带电性质。纤维插层是指将带电纳米纤维插入纳米流体膜的纳米通道中，增加电荷密度的同时扩大了膜的层间间距。纤维插层后可以显著提高膜的离子选择性、离子通量和机械强度。材料复合指通过键合或静电作用来结合不同的带电材料，改变由单一材料膜的带电性质和宏观特性，如抗溶胀能力等，从而提高纳米通道调节离子传输的能力。
经过表面电荷构筑或改性后的二维纳米流体膜的离子选择性、抗溶胀能力和机械强度都有不同程度的提高，这使得膜在复杂水环境中的应用更加稳定和多样化，对于实现高效的能量转化和水处理等应用具有重要意义。
考虑到二维纳米流体膜的纳米通道表面电荷对离子传输的重要作用，本文综述了二维纳米流体膜的带电原理和电荷构筑及改性方法，包括基团接枝、静电吸附、纤维插层和材料复合。此外，本文对电荷改性的二维纳米流体膜在能量转换和水处理方面的最新研究进行了系统总结。最后，提出了二维纳米流体膜在低成本化、大面积制备应用和长期稳定性等方面存在的挑战。期待本综述总结的二维纳米流体膜的表面电荷构筑及改性方法，能够为高性能膜材料构筑及应用推进提供新的见解。
L. Xie, J. Tang, R. Qin, Q. Zhang*, J. Liu, Y. Jin, H. Wang*. Surface Charge Modification on 2D Nanofluidic Membrane for Regulating Ion Transport.
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