近期，上海大學吳明紅教授團隊在石墨烯研究領域取得了重大突破。2017年10月9日，《Nature》 雜志在線發表了題為“通過離子控制石墨烯氧化膜層間距實現離子篩分(“Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing”)的研究論文。研究提出并實現了通過水合離子精確控制石墨烯膜的層間距，展示出優異的離子篩分和海水淡化性能。

該工作由上海大學吳明紅團隊、中國科學院上海應用物理研究所方海平團隊、南京工業大學金萬勤團隊以及浙江農林大學的研究人員發揮各自優勢一起聯合攻關完成。

精確控制石墨烯膜的層間距在環境、能源材料等領域具有重要意義，尤其在水處理、離子/分子分離以及電池/電容等應用領域中起到關鍵作用。對于石墨烯納米片，要實現其層間距固定并精確到十分之一納米這么小的尺度，其困難可想而知，更具挑戰的是，石墨烯膜在水溶液中還會發生溶脹導致分離性能嚴重衰減。一直以來，研究者們利用納米技術操控、膜間修飾小分子等技術做了諸多努力但仍難以如愿。

研究提出了溶液中離子本身可以有效控制（氧化）石墨烯膜的層間距，并進行了相應的理論模擬計算加以驗證。同時利用上海光源的X射線小角散射（BL16B1）、精細吸收譜（BL14W1）以及紫外等表征手段證明了離子與石墨烯片層內芳香環結構之間存在水合離子-π相互作用。這樣的作用像“橋墩”一樣支撐石墨烯片層，精確控制了石墨烯膜的層間距，而不同大小的水合離子相當于不同大小的“橋墩”，進而對應于不同的層間距。

通過實驗成功實現并觀測到石墨烯膜與不同的離子溶液作用后具有特定的層間距，這樣的間距可以小到一納米左右，而不同離子對應的間距差異小于十分之一納米；當石墨烯膜與水合直徑小的離子溶液結合后，具有更大水合直徑的離子就難以進入石墨烯膜。因此，通過離子選擇可以實現對石墨烯膜的層間距達十分之一納米的精確控制。此外，通過系列水合離子控制的多石墨烯復合膜，從實驗上實現了不同離子間的精確篩分。

上海大學為論文第一單位，吳明紅教授和她的2014級博士生陳亮同學分別為論文的共同通訊作者和第一作者，2014級碩士生彭兵權同學為并列第一作者，參與此項工作的吳明紅團隊成員還有徐剛教授、碩士生王佳俊、李德遠、錢哲同學等。

該研究得到了國家自然科學基金委、教育部創新團隊、科技部、中國科學院、上海光源、北京超算中心、廣州超算中心以及上海超算中心的經費支持。

文章全文鏈接: https://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature24044