受天然脂質膜通過溶劑相互作用調控物質傳輸的啟發，本研究將多孔石墨烯（PG）嵌入氧化石墨烯（GO）膜中，開發了一種可逆響應溶劑類型的智能分子篩分膜。該膜對水和甲醇的滲透率分別達45.52和13.56 L·m?²·h?¹·bar?¹，在水中分子量截留值（MWCO）為~319 g·mol?¹（與純GO膜相當），而在甲醇中可逆切換至960 g·mol?¹——這是純GO或石墨烯膜均未表現出的特性。機理研究表明：在水中，GO-GO納米通道主導傳輸路徑；而在甲醇中，GO-PG納米通道因溶劑-表面強吸附及納米限域下溶劑網絡弱化導致層間顯著膨脹，降低傳輸阻力從而實現更大的MWCO切換。這種智能篩分行為進一步應用于多組分溶液的高效分級分離。
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圖1 | GO/PG膜的制備及其在水和有機溶劑中的納濾性能
a. GO/PG膜的制備過程示意圖
· 左圖為GO/PG膜的制備流程示意圖，右圖為GO/PG膜表面的SEM圖像（比例尺：5 µm）。
· 插圖為沉積在尼龍基底上的GO/PG膜照片。
b. 有機溶劑在GO/PG膜中的滲透率與黏度倒數的關系
虛線為最佳線性擬合線。各有機溶劑的物理性質見表S1。
c. GO/PG膜在水（黑色）和甲醇（紅色）中的分子量截留（MWCO）曲線
MWCO通過加壓納濾實驗的染料截留率與分子量（MW）關系圖插值確定。
插圖：VB分子在GO/PG膜中的擴散測試（上：初始狀態；下：72小時后），左為水相，右為甲醇相。
d. 純GO膜和e. 純PG膜在水（紅色）和甲醇（黑色）中的MWCO曲線
所有誤差棒代表至少三次獨立膜測量的標準偏差。
解析：
1、膜制備與結構（圖1a）
采用GO和PG復合制備膜材料，SEM顯示其表面形貌均勻，沉積在尼龍基底上增強機械穩定性。
2、溶劑滲透行為（圖1b）
滲透率與溶劑黏度倒數呈線性關系，符合經典流體動力學理論（如Hagen-Poiseuille方程），表明傳輸受溶劑物理性質影響。
3、分子篩分性能（圖1c）
水相：MWCO較低（319 g·mol?¹），說明膜結構緊密，適合小分子截留。
甲醇相：MWCO顯著提高（960 g·mol?¹），層間距膨脹導致篩分能力下降。
擴散實驗：VB染料在甲醇中擴散更快，驗證了溶劑誘導的膜結構動態變化。
4、純膜對比（圖1d,e）
純GO膜在水/甲醇中篩分性能差異較小，而純PG膜幾乎無篩分能力，凸顯GO/PG復合結構的協同效應。
5、科學意義：該圖系統證明了GO/PG膜的溶劑響應特性，為后續機理解析（如層間距變化）和應用設計（如分級分離）奠定實驗基礎。
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圖2 | GO/PG膜溶劑滲透率與分子篩分的可逆切換性能
a. GO/PG膜溶劑滲透率的可逆切換
通過交替切換進料溶劑（水/甲醇），觀察膜滲透率的動態變化。
b. VB染料截留率的可逆切換
在水和甲醇交替條件下，VB染料的截留率呈現可逆調控。
c. 水/甲醇混合溶劑中GO/PG膜的篩分性能
左插圖：MLB和BB染料的截留率變化。
右插圖：對應滲透液的照片（直觀展示分離效果）。
所有誤差棒代表至少三次獨立膜測量的標準偏差。
解析：
1、動態響應特性（圖2a,b）
*滲透率：水→甲醇切換時，滲透率顯著下降（水45.52 vs. 甲醇13.56 L·m?²·h?¹·bar?¹），歸因于甲醇誘導的層間膨脹（1.9 nm）削弱傳輸阻力。
*截留率：VB在水相中截留率近100%，甲醇相中降至15%，證明篩分能力的溶劑依賴性。
*可逆性：多次循環后性能穩定，體現膜結構的可逆形變能力。
2、混合溶劑調控（圖2c）
*水/甲醇比例變化可精確調控截留率（如VB從100%→15%），實現連續篩分。
*左插圖：不同分子量染料（MLB、BB）的截留差異，驗證分子量選擇性。
*右插圖：滲透液顏色變化直觀反映分離效果（如甲醇相中VB透過量增加）。
3、科學意義：
*揭示了GO/PG膜通過溶劑極性調控實現“智能開關”的機制，為復雜混合物分離（如制藥純化）提供新策略。
*混合溶劑比例的靈活調控拓展了實際應用場景。
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圖3 | 使用同一GO/PG膜實現分級分子分離
a. 三元分子分級分離示意圖
通過單層GO/PG膜的兩步納濾過程分離三種染料（酚、VB、RR195）：
第一步（水相）：僅最小分子（酚）可透過膜。
第二步（甲醇相）：VB透過膜，RR195被截留（注：P=酚，RR=RR195）。
b-c. 紫外-可見吸收光譜分析
圖b：水相中三元混合物的原料液及其第一步滲透液的吸收光譜。
圖c：第一步水相納濾后，甲醇相（90%體積比）中第二步的原料液、滲透液及截留液的吸收光譜。
照片展示：初始混合物、第一步/第二步滲透液及第二步截留液的實際顏色變化。
解析：
1、分級分離機制（圖3a）
*尺寸篩分主導：
水相（層間距0.9 nm）：酚（MW=94）優先透過，VB（MW=478）和RR195（MW=1017）被截留。
甲醇相（層間距1.9 nm）：VB可透過，RR195因分子量過大仍被截留。
*單膜多步分離：通過溶劑切換替代傳統多膜串聯，簡化工藝流程。
2、光譜與可視化驗證（圖3b,c）
*紫外光譜：
圖b中酚的特征峰（270 nm）僅在滲透液出現，證實第一步選擇性。
圖c中VB峰（560 nm）在第二步滲透液顯著增強，RR195峰（590 nm）保留在截留液。
*顏色對比：
初始混合物呈紫紅色（三元混合）→第一步滲透液無色（酚）→第二步滲透液紅色（VB）→截留液藍色（RR195）。
3、科學意義：
首次實現單一膜通過溶劑調控完成多組分分級分離，突破傳統膜材料需定制化孔徑的局限。
為高附加值化學品（如染料、藥物中間體）的綠色分離提供新范式，減少能耗與膜更換成本。
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圖4 | GO/PG膜在水和甲醇中的結構變化
a. GO膜與GO/PG膜的XRD衍射圖譜
· 對比干燥態、水合態（水）及甲醇溶脹態下GO膜和GO/PG膜的X射線衍射峰，反映GO層間納米通道的變化。
b-c. GO-PG納米通道溶脹的自由能剖面
圖b：水介質中GO-PG納米通道的溶脹自由能曲線。
圖c：甲醇介質中GO-PG納米通道的溶脹自由能曲線（插圖為甲醇溶脹后的層間距d值）。
分子動力學（MD）模擬快照展示溶脹后的GO-PG納米通道結構。
解析：
1、結構表征（圖4a）
*XRD結果：
干燥GO膜的衍射峰對應層間距~0.8 nm，水合態下增至~1.2 nm，甲醇中進一步膨脹至~1.9 nm。
PG修飾后（GO/PG），層間距變化更顯著，表明PG增強溶劑響應性。
2、溶脹機制（圖4b,c）
*自由能分析：
水介質中溶脹能壘較高（圖b），層間距穩定在1.2 nm，與氫鍵網絡限制有關。
甲醇中能壘降低（圖c），層間距達1.9 nm，因甲醇弱化GO層間相互作用。
MD模擬：顯示甲醇分子嵌入GO層間，形成更疏松的通道結構（插圖示層間距d）。
3、科學意義：
通過XRD與自由能計算，揭示溶劑極性調控GO/PG膜層間距的物理化學機制。
MD模擬從分子尺度驗證了溶劑誘導的納米通道動態變形，為智能膜設計提供理論依據。
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圖5 | GO-PG納米通道中的溶劑-溶劑相互作用
a. GO-PG納米通道在不同溶劑中的溶脹示意圖
· (i) 強溶劑-通道作用 + 弱溶劑-溶劑作用 → 通道高度溶脹
· (ii) 強溶劑-通道作用 + 強溶劑-溶劑作用 → 中等溶脹
· (iii) 弱溶劑-通道作用 + 強溶劑-溶劑作用 → 弱溶脹
b. 受限溶劑分子間氫鍵平均數量
c. 受限醇分子間非極性締合鍵平均數量
d. GO/PG膜在不同溶劑中的截留分子量(MWCO)對比
（插圖為丁醇和戊醇中的MWCO值）
解析：
1、溶脹機制分類（圖5a）
*類型(i)（如甲醇）：
甲醇與GO層間羥基形成強氫鍵（溶劑-通道作用）
甲醇分子間氫鍵較弱 → 層間距顯著膨脹（~1.9 nm）
*類型(ii)（如水）：
水與GO的氫鍵和水分子的強氫鍵競爭 → 層間距中等（~1.2 nm）
*類型(iii)（如長鏈醇）：
溶劑-通道作用弱，分子間締合強 → 層間距幾乎不變
2、相互作用定量分析（圖5b,c）
氫鍵數量（圖b）：水 > 甲醇 > 乙醇，與溶脹程度呈負相關
非極性締合（圖c）：隨醇碳鏈增長而增強，抑制溶脹
3、分離性能關聯（圖5d）
MWCO排序：甲醇（478 Da） > 水（94 Da） > 丁醇（RR195截留）
插圖示長鏈醇中MWCO驟降，印證疏溶劑效應
4、科學意義：
*首次建立"溶劑-通道/溶劑-溶劑作用力平衡"模型，解釋智能膜溶脹差異
*氫鍵與非極性作用定量數據為溶劑選擇提供理論指導（如藥物分離需甲醇溶脹）
*MWCO與溶脹程度直接關聯，驗證了"動態孔徑"調控分離性能的可行性
文報道了一種基于氧化石墨烯（GO）和多孔石墨烯（PG）的智能溶劑響應型復合膜，通過調控膜-溶劑相互作用實現可逆分子篩分。主要創新與發現如下：
1、溶劑響應特性
· 在水中，膜表現出與純GO膜相當的分子量截留值（MWCO=319 g·mol?¹），滲透率達45.52 L·m?²·h?¹·bar?¹；在甲醇中MWCO可逆切換至960 g·mol?¹，滲透率為13.56 L·m?²·h?¹·bar?¹。通過水/甲醇交替，VB染料截留率可逆切換（100%↔15%），實現動態篩分調控。
2、機理解析
· 水中：GO-GO納米通道主導傳輸，形成緊密篩分結構（層間距0.9 nm）。
· 甲醇中：GO-PG納米通道因溶劑吸附（甲基-π鍵）及弱溶劑網絡效應顯著膨脹至1.9 nm，降低傳輸阻力。
3、應用驗證
· 利用單一膜兩步過濾（先水相后甲醇相）實現三元混合物（酚/VB/RR195）高效分級分離。
· 膜在10 bar壓力及30天溶劑浸泡下保持穩定，優于傳統聚合物膜。
該研究為低能耗多組分分離提供了新思路，通過溶劑-膜相互作用調控傳輸路徑，而非傳統孔徑設計，拓展了智能膜的應用潛力。https://doi.org/10.1038/s41467-025-60680-x
轉自《石墨烯研究》公眾號
