现如今，许多工业部门使用的传统聚合物基膜无法解决在水净化方面遇到的的困难。因此需要研发一种可以净化浓缩的多组分流而不会被污染或降解的膜。后续的最后一步净化处理才能经济高效地通过反渗透或其他过程完成。目前，已有方法通过部分还原、共价交联、与石墨烯混合以及插入离子和分子层等方式限制GO膜的膨胀。然而，实际应用中的纳滤过程需要处理更高浓度的盐及废水。此外，同样的问题也限制了GO膜在其他高浓度溶质（如电池隔膜、离子交换膜和医用透析膜）筛选方面的应用。

鉴于此，佐治亚理工学院Sankar Nair教授团队报告了一种氧化石墨烯膜新的分离机制，通过在GO纳滤膜中插入π共轭多环阳离子，可实现持续高的溶质截留率，使膜在苛刻条件下保持高稳定性。研究人员假设，多环阳离子与GO发生强的相互作用，通过π-π堆积和GO片层的静电作用，形成独特的微观控制结构。这可能会限制层间扩展，并在GO二维层间“通道”中产生可调节的空间效应，增加溶质传输路径的曲折程度，缩小水合离子和分子的有效侧向空间。 

图1GO–tbO膜的特性

首先研究人员先形成了水相GO-TBO配合物。然后，通过将GO-TBO悬浮液真空过滤在标称孔径为30nm的多孔聚醚砜(PES)载体上，制备了一系列含有不同TBO质量分数的GO-BO膜。干燥的膜也显示出一系列的颜色(图1)。图1a还显示了溶液中初始TBO浓度与GO膜中加入的TBO浓度之间的关系。通过XRD测量的层间平均间距如图1b所示。在干燥状态下，纯氧化石墨烯膜的平均间距为0.81nm，当TBO含量增加到10wt%时,间距略有减小，但当TBO含量增加到1.2nm时，间距急剧增大。由图1b可以看出，在潮湿条件下，由于水的插入和氢键网络的形成，低TBO含量的GO-TBO膜表现出与纯氧化石墨烯相似的大量膨胀。然而，在较高的TBO含量下，膜在潮湿条件下变得高度抗膨胀。研究人员还从PES支架上剥离了GO-TBO层，并测量了它们在干燥状态下的固态紫外-可见(UV-vis)吸收光谱（1c）。

图2 GO-TBO膜的微观结构示意图

整体微观结构图如图2所示。在TBO含量较低时，单体结合略微减小层间间距，并开始在二维层间空间中形成障碍物。在TBO含量较高时，二聚体TBO结合显著增加了层间间距，但同时空间填充也使溶质渗透路径变得越来越狭窄和曲折。因此，π嵌入的GO-TBO膜微观结构可以通过层间空间的垂直间距变化和层间空间的横向输运路径变化来控制溶质输运。    

图3 GO-TBO膜的排斥反应

然后，研究人员进行了详细的纳滤测量，以了解这些独特的GO-TBO微观结构对溶质排斥和分离的影响。这种独特的膜微观结构对溶质排斥的影响是显著的（图3）。以前的研究(图3a)报道了在低盐浓度下，氧化石墨烯基膜中典型的二价和单价盐的广泛排斥。图3b-d显示了GO-TBO膜中盐(Na2SO4和NaCl)、大有机阴离子(甲基橙和甲酚红)和中性分子(葡萄糖和木糖)的溶质排斥行为与TBO含量和盐浓度的关系。图3d显示了中性分子葡萄糖和木糖作为TBO负载函数的排斥行为的相似趋势。进一步支持层间间距变化和空间效应在控制溶质有效扩散率方面的作用。

综上所述，一系列的GO-TBO膜在大范围盐浓度下表现出增强的纳滤性能，并在恶劣操作环境下表现出高稳定性。通过调整单体GO-TBO -GO和二聚体GO-(TBO)2-GO插层模式的相对数量，可以调节膜的微观结构。垂直层间间距调制以及在二维通道中产生横向扩散屏障的双重作用最终导致了高浓度下持续的盐排斥。有大量不同大小、形状、电荷和功能的π共轭分子可以在氧化石墨烯层间空间结合。因此，该团队提出的这种GO膜易于扩展，在pH、温度、流速和固体含量升高的情况下对多组分工业蒸气的淡化具有良好的化学和机械稳定性。目前GO-TBO和rGO-TBO膜的较高水通量和化学稳定性为在苛刻条件下要求稳定、可靠纳滤膜分离应用开辟了一条新道路。