近日，华南理工大学先进造纸与纸基材料全国重点实验室（原名：制浆造纸工程国家重点实验室）、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》杂志发表研究成果，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。
图文解读
二维材料：高效分离膜的理想平台，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。
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。
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。
研究总结
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。
论文信息
相关研究成果以“Engineering grain boundaries in monolayer molybdenum disulfide for efficient water-ion separation”为题发表于国际顶级期刊《Science》。华南理工大学为本论文的第一通讯单位，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的Lain-Jong Li，阿卜杜拉国王科技大学的Ingo Pinnau，上海大学的石国升，以及东京大学的Vincent Tung。
第一通讯作者简介
韩宇教授于2003年在吉林大学获得博士学位，2003-2008年在新加坡A-Star任研究科学家，2009至2023间，就职于沙特阿卜杜拉国王科技大学，任化学和化学工程系教授。2023年9月，入职华南理工大学，任电子显微中心主任。
韩宇博士主要从事多孔材料的合成与应用（催化、分离、水处理），以及电子束敏感材料的高分辨电子显微成像方面的研究，是超低剂量电子显微成像技术的联合发明人。发表学术论文400余篇，其中包括权威期刊如Nature、Science、Nature Nanotechnology、Nature Chemistry、Nature Materials等，总引用次数超过50,000，H-index大于120。韩宇教授2004年被麻省理工学院《科技评论》杂志评选为百名青年发明家，2006年获新加坡青年科学家奖；2008年获Thomson Reuters Research Fronts Award（汤姆逊研究前沿奖）；2021年获得德国洪堡研究奖；2019-2024连续6年入选科睿唯安（Clarivate Analytics）高被引学者。