分子篩對(duì)于質(zhì)子交換膜、水純化淡化和氣體分離都有著重要的意義。二維材料憑借其超薄的厚度和良好的力學(xué)性能，已經(jīng)在分子篩應(yīng)用中展現(xiàn)出了優(yōu)越的分子輸運(yùn)和篩選潛能。比如石墨烯、氧化石墨烯等二維材料的質(zhì)子輸運(yùn)性能已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上得到了證實(shí)。這些二維材料的質(zhì)子輸運(yùn)性能依賴于材料上自然形成或者人為制造的納米級(jí)的輸運(yùn)通道。但通常的氧化處理和離子束轟擊等方式很難得到高密度并且尺寸均一的納米通道，因此難以保證二維薄膜材料的質(zhì)子選擇性。納米格子材料本征的納米孔結(jié)構(gòu)恰好為分子輸運(yùn)提供了極大的通道密度和良好的尺寸均一性。

　　最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SF10組博士生徐紀(jì)玉等在研究員孟勝的指導(dǎo)下，與北京大學(xué)物理學(xué)院教授王恩哥、李新征合作，證明了二維納米格子材料石墨二炔具有極好的質(zhì)子導(dǎo)通性和選擇性（圖1）。相關(guān)成果近日發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

　　石墨二炔材料上合適的通道尺寸使膜兩側(cè)的水分子形成了跨膜的氫鍵結(jié)構(gòu)，可以使得質(zhì)子按照Grotthuss機(jī)理以結(jié)構(gòu)擴(kuò)散的形式實(shí)現(xiàn)跨膜質(zhì)子輸運(yùn)（圖2）。質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)移的自由能勢(shì)壘為~2.4 kJ/mol, 幾乎等于質(zhì)子在體相水中轉(zhuǎn)移的勢(shì)壘（2.1 kJ/mol），因此石墨二炔薄膜對(duì)于質(zhì)子輸運(yùn)幾乎是透明的（圖3）。同時(shí)，在外電場(chǎng)下的非平衡模擬計(jì)算得到了石墨二炔的質(zhì)子導(dǎo)通率為0.6 S/cm，這是石墨烯質(zhì)子導(dǎo)通率的10000倍，是商用質(zhì)子交換膜Nafion的10倍。路徑積分分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明質(zhì)子的核量子效應(yīng)可以進(jìn)一步降低質(zhì)子在石墨二炔界面處轉(zhuǎn)移的勢(shì)壘，從而加快質(zhì)子轉(zhuǎn)移的效率。

　　相對(duì)于原子致密排列的石墨烯、h-BN等二維材料，石墨二炔上的納米孔為質(zhì)子轉(zhuǎn)移提供了極小的轉(zhuǎn)移勢(shì)壘。進(jìn)一步的細(xì)致分析表明石墨二炔的納米孔對(duì)于甲醇和乙醇分子具有較大的轉(zhuǎn)移勢(shì)壘（>100 kJ/mol），這證明石墨二炔材料具有優(yōu)異的質(zhì)子選擇性。石墨二炔作為一種已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上合成的二維材料，具有成為下一代的質(zhì)子交換膜材料的巨大潛力。這為近年來(lái)興起的用質(zhì)子調(diào)控氧化物和二維材料物理化學(xué)性質(zhì)提供了新的思路。

　　該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0300902，2015CB921001）和國(guó)家自然科學(xué)基金委（11774396, 91850120, 11934004）的支持。

　　圖1. 石墨二炔具有優(yōu)異的質(zhì)子導(dǎo)通性和分子選擇性。

　　圖2. 質(zhì)子跨膜傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)過(guò)程。質(zhì)子按照Grotthuss機(jī)理以結(jié)構(gòu)擴(kuò)散的形式實(shí)現(xiàn)跨膜輸運(yùn)。

　　圖3. 質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)移（TM）的自由能勢(shì)壘和質(zhì)子在體相（bulk）水中轉(zhuǎn)移的自由能勢(shì)壘。虛線代表300K時(shí)的k_BT。