华南理工大学韩宇教授等 Science: 精准调控二维材料缺陷结构 实现高效水/盐分离

2025年2月13日，华南理工大学前沿软物质学院和电子显微中心韩宇教授领导的国际合作团队在Science上以“Engineering grain boundaries in monolayer molybdenum disulfide for efficient water-ion separation”为题发表研究论文，展示了通过精确调控二维材料中的缺陷结构，实现高效水/盐（水合离子）分离的可行性。这一研究为高性能分离膜的设计提供了新思路，在能源与环境领域展现出应用前景。华南理工大学为本文的第一通讯单位。华南理工大学韩宇教授为本文的主要通讯作者，其它通讯作者包括香港大学Lain-Jong Li、阿卜杜拉国王科技大学Ingo Pinnau、上海大学石国升以及东京大学Vincent Tung。

二维材料：高效分离膜理想平台，但制备仍具挑战

选择性分子输运是许多关键分离与纯化过程的核心。例如，通过使用膜材料对含盐水（如卤水、海水等）进行水与水合离子的分离，是低能耗获得纯水的重要途径，对能源和环境领域具有重要意义。

二维材料因其极小的厚度，可极大提升分子输运效率，被认为是高性能分离膜的理想平台。然而，在二维材料上精确生成用于分子筛分的孔洞，尤其是在大面积范围内实现均匀制备，仍然是材料科学和工程领域的重大挑战。现有方法在孔径控制和孔洞生成效率方面仍存在较大局限。

从缺陷到优势：精准调控二维材料晶界结构

尽管结构缺陷（如晶界，Grain Boundaries）通常被视为削弱二维材料性能的不利因素，但本研究表明，通过精确控制二维材料的缺陷结构，可以将其转化为高效分离的功能性通道。研究团队在单层二硫化钼（MoS₂）薄膜中，成功引入了大量预先设计的多孔晶界结构，从而实现了高效的水分子和水合离子分离。该研究采用化学气相沉积（CVD）方法，精准控制 MoS₂ 晶粒的取向与尺寸，使其在生长过程中形成两种固定的优选取向（互成 60° 角）。这一取向关系生成了多种可预测的晶界结构，其中8 元环（8-MR）结构占主导地位（见图 1）。

图1. 在单层 MoS₂ 薄膜中构筑 8 元环（8-MR）孔洞。(A) 和 (B) 分别为 MoS₂ 薄膜生长过程早期和晚期阶段的光学显微图像。在 (A) 中，可以观察到具有固定取向关系（0° 或 60°）的三角形 MoS₂ 片状结构，黄色和蓝色三角形分别示例不同取向的 MoS₂ 晶粒。(C) 单层 MoS₂ 薄膜的原子分辨率扫描透射电子显微图像，显示了两个取向相差 60° 的晶粒。黄色三角形标示了两种晶粒的取向，虚线标出晶界位置，虚线圆圈突出显示了 8-MR 孔洞。插图为放大的单个 8-MR 孔洞及其对应的结构模型示意图。比例尺：(A) 2 µm；(B) 20 µm；(C) 1 nm；(C) 插图，5 Å

突破性成果：高效水/盐分离与超高水通量

理论计算与实验研究表明，8-MR 孔径（4.2 × 2.4 Å）适合水分子快速通过，同时有效阻挡多种水合离子。因此，当这些单层 MoS₂ 薄膜用于分离膜时，获得的水分子对水合离子的选择性极高，同时水通量大幅提升，远超当前最先进的海水淡化膜（见图 2）。相比之下，未经取向控制的 MoS₂ 仅形成少量 8-MR 结构，主要由更小且不可渗透的 7-MR 结构组成，导致水通量下降，水/离子选择性也较低。

单层MoS₂的8-MR孔道所表现的“单链水”输运行为与生物水通道蛋白（Aquaporins）高度相似。但不同于生物膜材料，无机MoS₂膜更易实现大规模制备（本研究已实现晶圆级制备），并且可广泛应用于各种非生物相容性环境。

总结与展望

本研究提出了一种高效构筑二维材料亚纳米级孔洞的新策略，不仅显著提升了水/离子分离性能，还揭示了一个有趣的悖论——通过精心设计的“缺陷”结构，可以实现近乎“完美”的水/离子分离。该策略有望拓展至更广泛的应用领域，如气体分离、催化及其他功能性膜材料，为可持续发展提供新的技术支撑。

图2. 本研究制备的 MoS₂ 膜与各种当前最先进的水/NaCl分离膜的性能对比

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado7489

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原标题：《华南理工大学韩宇教授等 Science: 精准调控二维材料缺陷结构 实现高效水/盐分离》