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隨著全球水資源短缺問題的日益嚴(yán)重，用于污水凈化和海水脫鹽的高效鹽水分離和凈化技術(shù)成為了科學(xué)研究的熱點(diǎn)。二維材料因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在分離膜領(lǐng)域備受關(guān)注。理想的二維材料膜應(yīng)具備高選擇性和高通量的分子傳輸能力，但目前在二維材料上實(shí)現(xiàn)大面積均勻的亞納米孔結(jié)構(gòu)仍面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的納米孔制備方法（如離子或電子束輻照、化學(xué)或等離子體刻蝕）難以精確控制孔徑和孔密度，導(dǎo)致膜性能受限。因此，探索一種能夠在二維材料合成過程中直接形成精確孔結(jié)構(gòu)的方法，對(duì)于提升分離膜性能具有重要意義。

中國科學(xué)院青海鹽湖研究所柔性引進(jìn)人才石國升研究員團(tuán)隊(duì)在高效鹽水分離和凈化技術(shù)領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果在《Science》正刊發(fā)表。該項(xiàng)研究工作中，石國升研究員為共同通訊作者，聯(lián)合華南理工大學(xué)韓宇教授團(tuán)隊(duì)、香港大學(xué)Lain-Jong Li教授團(tuán)隊(duì)及阿卜杜拉國王科技大學(xué)Ingo Pinnau教授、Vincent Tung教授團(tuán)隊(duì)等，通過精確控制單層二硫化鉬（MoS?）晶界的形成實(shí)現(xiàn)了高效水/離子分離。

石國升研究員團(tuán)隊(duì)基于前期水合離子界面相互作用的新理解，原創(chuàng)性提出離子可以精準(zhǔn)調(diào)控二維通道尺寸，“裝訂”石墨烯膜用于離子篩分和海水淡化，此外還首次揭示自然條件下反?；瘜W(xué)計(jì)量比晶體Na₂Cl/Na₃Cl/K₂Cl/Li₂Cl/CaCl等反晶[Sci. Rep. 3,3436(2013)；?Angew. Chem. Int. Ed. 10,10190 (2014)；Phys. Rev. Lett. 134,12104 (2015)；Phys. Rev. Lett. 117,238102 (2016)；Nature 550,380 (2017)；Nat. Chem. 10,694 (2018)；Natl. Sci. Rev. 8,nwaa274 (2021)；J. Colloid Interface Sci. 648,102 (2023)；Nano Lett. 23,10884 (2023)；Nat. Water 1,800 (2023)；Small 60,21,2408566 (2025)；J. Hazard. Mater. 487,137078 (2025)；J. Am.Chem. Soc. 147,3478 (2025)；Nano Lett. 25,2334 (2025)]。基于這些前期工作對(duì)界面水合離子相互作用的理解以及對(duì)受限空間離子篩分和輸運(yùn)行為的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控MoS₂晶界納米孔缺陷尺寸，可以實(shí)現(xiàn)有效水/離子分離和離子精準(zhǔn)篩分，達(dá)到海水淡化及離子精準(zhǔn)提取的效果。

研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬和密度泛函理論計(jì)算，揭示了單層MoS?晶界處形成的八元環(huán)（8-MR）孔結(jié)構(gòu)的尺寸篩分效應(yīng)，該孔徑能夠允許單鏈水分子快速通過，同時(shí)完全阻止水合離子（如Na?和Cl?）的通過。因此，單層MoS?晶界處形成的八元環(huán)（8-MR）孔結(jié)構(gòu)可以作為分子篩，有效分離水和離子。實(shí)驗(yàn)過程中，研究團(tuán)隊(duì)通過精確控制MoS?晶粒的生長方向（固定0°或60°的相對(duì)取向），成功在大面積單層MoS?膜中實(shí)現(xiàn)了豐富的8-MR孔結(jié)構(gòu)。通過進(jìn)一步調(diào)節(jié)晶粒生長時(shí)間、硫蒸氣壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶粒尺寸和晶界密度的精確調(diào)控。優(yōu)化后的MoS?膜在多種測試條件下展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如高水滲透性、高離子選擇性以及良好的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性。這使得其在海水淡化、污水處理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，為二維材料在分離膜領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。該方法不僅能夠精確控制孔結(jié)構(gòu)，還能實(shí)現(xiàn)大面積連續(xù)膜的制備，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

該研究工作以Engineering grain boundaries in monolayer molybdenum disulfide for efficient water-ion separation發(fā)表在Science 2025上，由上海大學(xué)、中國科學(xué)院青海鹽湖研究所、國科大溫州研究院、華南理工大學(xué)、香港大學(xué)和阿卜杜拉國王科技大學(xué)等單位合作完成，得到了國家自然科學(xué)基金委、青海省昆侖英才計(jì)劃、青海省科技廳、香港特別行政區(qū)研究資助局、阿卜杜拉國王科技大學(xué)、上海市科委等經(jīng)費(fèi)支持。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado7489

不同大小的缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同尺寸的篩分通道，用于水/離子分離

審核：年洪恩