二维（2D）膜由于具有规则且尺寸分布均一的层间通道，可以实现目标物质的快速传输和高效分离。目前，用于纳滤领域的2D膜主要由石墨烯、石墨烯衍生物、过渡金属卤化物等纳米片组装而成。相较于传统的聚合物基纳滤膜，2D膜的通量明显提升。但是2D膜中的传输通道依附纳米片而存在，传输通道较长限制了水通量的进一步提升。g-C3N4是一种类石墨烯的2D材料，并且片层内具有丰富的三角纳米孔。已有研究表明，由g-C3N4纳米片组装而成的二维通道可以允许水分子在层间进行无摩擦运动，且平面内的三角纳米孔提供了额外的水分子传输通道，有望实现水分子的快速运输。然而，实验测定g-C3N4膜的水通量甚至小于由致密纳米片构成的2D膜。
近日，合肥工业大学冉瑾副研究员、中国科学技术大学徐铜文教授团队深入分析g-C3N4基2D膜水通量过低的原因，认为其狭小的层间通道（0.32 nm）不利于水分子的快速运动和传递。以往研究也证明，尽管水分子在石墨烯层间可以畅通无阻的传输，但纯石墨烯膜水通量也较低，而修饰后的氧化石墨烯膜具有更高的水通量。这主要是由于氧化区域可以打开层间，使氧化石墨烯膜具有更宽的水传输通道。受到氧化石墨烯结构的启发，该团队通过插层具有强酸性功能基团的磺化有机分子及聚合物，来打开g-C3N4膜层间通道。
选择磺化有机分子及聚合物来改性g-C3N4膜主要基于两点考虑：（1）磺酸基团在有机酸中具有较强的酸性，有望成功进入g-C3N4膜层间；（2）磺酸基团可以与g-C3N4纳米片上的碱性位点发生酸碱作用，以保证g-C3N4膜具有优异的稳定性。X射线衍射数据表明改性后的g-C3N4膜晶间距相较于纯g-C3N4膜晶间距增加了0.1 nm，证明了磺化物质可以打开g-C3N4膜层间通道。进一步，分子力学模拟表明在插层分子附近的层间通道是晶间距的两倍，如此大的层间距可以实现水分子的快速运输。同时，红外、紫外等光谱数据证实了磺酸基团可与g-C3N4上的碱性基团发生酸碱作用。
纳滤实验证明，相较于纯g-C3N4膜，改性后的g-C3N4膜的水通量提高了两个数量级，并且具有与纯g-C3N4膜同等优异的截留性能。其中，磺化聚苯醚插层的g-C3N4膜水通量高达8867 L h-1m-2 bar-1，高于以往报道的氧化石墨烯、MXene等纳米片构成的2D膜。并且，改性后的2D膜通道在酸性、碱性和高压环境中表现出了优异的稳定性。在多次循环测试中，性能也保持了极高的稳定性。该研究对于开发高通量、高稳定性的2D膜提供了新思路。
Endowing g‐C3N4 Membranes with Superior Permeability and Stability by Using Acid Spacers
Jin Ran*, Ting Pan, Yuying Wu, Chengquan Chu, Peng Cui, Pengpeng Zhang, Xinyu Ai, Cen-Feng Fu, Zhengjin Yang, Tongwen Xu*
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201908786