01 科学背景
在超薄膜（一到几个原子层）中精确制造纳米和亚纳米孔将使膜具有高选择性和渗透性。限制在此类膜中纳米级孔或通道内的离子和小分子的传输行为与在大量液体中测量的传输行为显著不同。在限制环境下，分子和原子的离散性质、离子相关性、长程静电相互作用以及特定吸附在整体动力学中发挥着重要作用，可以通过纳米孔特性进行操纵以优化物质选择性。如果成功大规模制造，纳米多孔膜将适用于燃料电池、渗透发电机和分离过程。它们对于离子分离特别有用，可以实现高效的水净化、水软化和从水溶液中回收资源。电子和离子辐照以及氧等离子体蚀刻可以在由二维(2D)材料制成的超薄膜上制造纳米孔阵列，但其存在设备复杂、孔径大小差异性大等缺点。通过在晶体生长过程中引入缺陷这自下而上的方法也可以在超薄膜中制造纳米孔，但其存在孔道堵塞、环境污染物引入和设备间差异性大的问题。此外，所得的2D材料膜尚未对不同阳离子，特别是相同电荷的阳离子表现出显著的选择性，尽管它们在将阳离子与阴离子分离方面表现出色，现有的方法和起始材料设计限制了纳米多孔膜的性能。
02 创新成果
芝加哥大学刘翀助理教授团队开发了一种原位制造方法，通过在多晶膜上施加横向电场来生成孔径和密度可调的（亚）纳米孔。该方法利用了电解质门控配置下二维半导体二硫化钼(MoS2)上形成的强电场的静电和电化学效应。孔隙率由所施加电场的强度和持续时间以及起始材料的原子特征决定。通过使用几层机械剥离的MoS2和垂直排列的MoS2薄膜进行比较，确定了多晶MoS2中晶界对于纳米孔生成的关键作用。通过原位调谐展示了平均孔径范围从<1 nm到~4 nm的全固态膜。孔制造过程以低至~0.2 nm2s-1的速率扩大总孔面积，使得能够以亚纳米精度控制孔径。由于其高表面电荷密度、紧密的孔径分布和纳米级厚度的结合，MoS2纳米多孔膜表现出单价和二价阳离子的选择性传输。与已报道的具有相似绝对电导的膜相比，纳米多孔、少层MoS2膜的离子选择性水平是迄今为止超薄固态膜中最高的。
相关研究成果2024年9月10日以“In situ generation of (sub) nanometer pores in MoS2 membranes for ion-selective transport”为题发表在Nature Communications上。
03 核心创新点
原位纳米孔生成技术：利用远程电场在MoS2膜中原位生成高密度的（亚）纳米孔。这种方法不需要复杂的仪器设备，可以在晶格边界处实现纳米孔的精确控制。
孔径精确调控：通过调整电场的强度和作用时间，实现了对纳米孔尺寸的精确控制，孔径可调范围从小于1纳米到约4纳米，且具有亚纳米级别的调控精度。
高选择性离子传输：所制备的MoS2纳米孔膜展示了对单价和二价离子的选择性传输，超越了现有的二维材料纳米孔膜的性能。
04 数据概览
图4.MoS2纳米孔中离子传输的MD模拟结果
05 成果启示
该研究提出了一种使用多晶MoS2制造纳米多孔膜的原位电化学方法,该方法建立在先前的电穿孔技术的基础上，例如SiN薄膜中的介电击穿和单层单晶的电化学蚀刻。利用少层多晶MoS2中的高密度晶界来制造具有相应高密度纳米孔的薄膜。这些膜表现出对小一价和二价阳离子的选择性，展示了它们在离子分离应用中的潜力。由于MoS2膜中纳米孔的密集排列，绝对通量超过了具有类似选择性水平的现有设备，这一特性使这些膜成为更实用的离子分离装置。MD模拟发现，限制在孔隙中的滞水的作用与阳离子阴离子配对的结合驱动了离子之间的选择性。
doi.org/10.1038/s41467-024-52109-8
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