本文根據神戶大學成果發佈編譯整理而成
神戶大學先端膜工學研究中心的松山秀人教授等人組成的研究團隊透過在聚合物多孔膜的表層積二維碳材料，成功開發出了新的脫鹽膜。
脫鹽膜是一種可以利用海水提取淡水的材料。爲解決全球範圍的水資源短缺，需要開發與目前使用的脫鹽膜相比透水速度更快、脫鹽性能更優異的脫鹽膜，以實施更高效節能的海水淡化。
本研究透過對名爲氧化石墨烯奈米片的二維奈米材料進行化學還原處理並層積到多孔膜上，開發出了厚度約爲50奈米（1毫米的1/20000）脫鹽膜。新開發的脫鹽膜控制了奈米片之間的隔膜和奈米片表面的電荷，可進行高性能的脫鹽處理。將來有望作爲新的脫鹽膜實施實用化和應用。
研究背景
地球上的水有97.5％是海水，淡水僅佔2.5％。其中，經過簡單的處理後可供人類利用的淡水僅佔地球水資源的0.01％。而人口一直在逐年增加。因此有預測認爲，數年後全球2/3的人口將面臨缺水問題。這種全球範圍的缺水將成爲人類面臨的最嚴重問題之一。所以，透過對地球上大量存在的海水進行淡化來獲得水資源的技術非常重要。
不過，以往的海水淡化法——蒸餾法是透過蒸發海水來去除鹽分，會消耗大量的能源。而膜分離法透過僅從海水中過濾水來去除鹽分，是一種節能的海水淡化法。使用過濾膜的海水淡化法已經實施實用化，但脫鹽膜的透水速度與鹽分去除性能一直屬於此消彼長的關係。要想打破這種關係，實施更高效率的海水淡化，必須開發採用新材料的創新脫鹽膜。
研究内容
研究團隊透過層積厚度與碳原子相當的二維碳材料，開發出了高性能的脫鹽膜。使用的二維材料是透過進行化學還原處理實施π電子共軛系的氧化石墨烯奈米片。透過將該奈米片與同時具備帶電官能基和π電子共軛系的卟啉源平面結構分子一起層積到多孔膜上，形成了約50奈米厚的超薄脫鹽功能層（圖1）。
圖1：新開發的奈米片層積膜的截面電子顯微鏡照片
形成的超薄脫鹽功能層將奈米片之間的隔膜（奈米通道）控制在1奈米以下，具有較高的離子阻隔性能。另外，在奈米片之間的π-π相輔作用下，具備超薄脫鹽功能層的奈米片層積膜在水中也穩定地保持奈米通道隔膜，因此可長時間使用。此外，即使在20bar的壓力下，也不會影響其優異的脫鹽性能。
研究發現，奈米片表面的靜電斥力有效抑制了新開發的奈米片層積膜内的離子運輸（圖2）。這種靜電斥力在奈米通道的寬度得到最佳控制時會發揮較大效果。該研究團隊採用的奈米片材料可透過控制化學還原處理的程度和卟啉源平面分子的導入率來控制奈米通道的寬度。因此，以最佳條件製作的奈米片層積膜即使針對海水中的離子的主要成分、尤其難以阻止其透過的NaCl，也能實施非常優異的阻隔性能（約95％）。
圖2：經由奈米通道透過的水與難以進入奈米通道、不容易透過的離子的模式圖
論文資訊
題目：Nanochannel-confined charge repulsion of ions in a reduced graphene oxide membrane
期刊：Journal of Materials Chemistry A
DOI：10.1039/D0TA08881A
日語發佈資料
編譯：JST客觀日本編輯部
