随着全球水资源短缺问题的日益严重，海水淡化和苦咸水处理技术受到了广泛关注。反渗透（RO）技术作为当前主流的脱盐技术，具有脱盐效率高、适应性强等优点。然而，传统RO膜存在能耗高、易污染等问题，限制了其广泛应用。因此，开发新型高效、低能耗的脱盐膜材料具有重要意义。
       本文介绍了基于功能化石墨烯氧化物（GO）纳米孔的反渗透脱盐技术。通过精确调控GO纳米孔的结构和化学性质，实现了对盐离子的高效筛分和水分子的快速传输。这种新型脱盐膜不仅提高了脱盐效率，还降低了能耗，为海水淡化和苦咸水处理提供了一种高效、经济的解决方案。

 
图1. （左）初始模型示意图；（右）六种不同孔径和功能化修饰的纳米孔结构
 

 
图2. （a）六种GO膜（Case1-Case6）水分子渗透率随时间变化曲线；（b）六种GO膜的水通量对比。


 
图3. 水分子沿x-z方向二维浓度分布的对比‌
‌(a) Case1: G0-CH（小孔径）; (b) Case2: G0-COH（小孔径）; (c) Case3: GO-cH（大孔径）; (d) Case4: GO-cOH（大孔径）; (e) Case5: GO-COOH; (f) Case6: GO-COO⁻‌

各案例浓度分布特征与机制分析

‌Case1（G0-CH，小孔径）‌

‌Case2（G0-COH，小孔径）‌

‌Case3（GO-cH，大孔径）‌

‌Case4（GO-cOH，大孔径）‌

‌Case5（GO-COOH）‌

‌Case6（GO-COO⁻）‌

· ‌分布特征‌：全电离羧酸根（-COO⁻）导致孔道外缘浓度骤降（密度<2.0 g/cm³）。
· ‌机制‌：强负电荷产生双电层效应，排斥阴离子并压缩水分子层厚度，提升传输速率‌
 

 
‌图4. 水分子沿X-Y方向二维浓度分布的对比。‌(a) Case1: G0-CH（小孔径）; (b) Case2: GO-COH（小孔径）; (c) Case3: GO-CH（大孔径）; (d) Case4: GO-COH（大孔径）‌
各案例浓度分布特征与机制分析
‌Case1（G0-CH，小孔径）‌
‌分布特征‌：
孔道中心呈现环形高浓度区（密度峰值>3.3 g/cm³），边缘浓度急剧下降。
二维平面上形成“同心圆”状梯度分布，表明水分子受限于狭窄孔径的强约束效应。
‌机制‌：
超小孔径（0.3 nm）导致水分子在平面内通过氢键网络形成类晶体结构，优先沿孔道中心传输‌4。
‌Case2（GO-COH，小孔径）‌
‌分布特征‌：
羧酸基团（-COH）修饰区域出现局部浓度极化（密度差达0.8 g/cm³）。
孔道边缘形成对称双峰分布，与X-Z方向观测的“哑铃状”结构形成空间互补。
‌机制‌：
-COH基团通过氢键与水分子动态结合，诱导平面内水分子定向排列，降低界面摩擦阻力。
‌Case3（GO-CH，大孔径）‌
‌分布特征‌：
大孔径（0.7 nm）内浓度分布均匀（密度~2.6 g/cm³），无明显梯度差异。
孔道边缘因疏水修饰（-CH）导致水分子排列松散（密度<2.0 g/cm³）。
‌机制‌：
未修饰大孔径允许水分子自由扩散，但疏水基团破坏界面水连续性，降低传输效率。
‌Case4（GO-COH，大孔径）‌
‌分布特征‌：
羟基（-COH）修饰使孔道表面形成亲水“通道”，平面内浓度分布呈带状高密度区（密度3.1 g/cm³）。边缘区域因静电排斥作用抑制离子吸附，维持浓度稳定性（波动<5%）。
‌机制‌：
亲水基团通过氢键锚定水分子，形成平面内低能垒传输路径，同时抑制盐离子共扩散。
 

 
‌图5. 不同纳米通道内水分子沿Z方向氢键分布的对比‌

各案例氢键分布特征与机制解析:‌Case1（G0-CH，小孔径）‌分布特征‌：氢键密度在孔道中心形成尖锐单峰（峰值密度~3.2 bonds/nm³），沿Z方向分布范围狭窄（<1 nm）。氢键寿命较长（>10 ps），表明水分子形成稳定的类冰结构。

· ‌机制‌：超小孔径（0.3 nm）迫使水分子通过氢键网络形成单列链式结构，动态重排受限，传输能垒较高。‌Case2（GO-COH，小孔径）‌分布特征‌：氢键密度呈现双峰分布（峰值密度2.8/3.0 bonds/nm³），对应羧酸基团（-COH）与水分子的界面结合位点。氢键寿命较短（~5 ps），动态平衡增强传输效率。‌机制‌：-COH基团与水分子形成可逆氢键，打破刚性结构，降低传输阻力，同时维持有序性。‌Case3（GO-CH，大孔径）‌分布特征‌：氢键密度分布平坦（均值2.2 bonds/nm³），沿Z方向无明显峰值，局部区域出现断点（密度<1.5 bonds/nm³）。氢键网络波动剧烈（标准差>0.8），表明无序传输。‌机制‌：大孔径（0.7 nm）内水分子自由度增加，氢键网络松散，易受离子干扰导致传输效率下降。‌Case4（GO-COH，大孔径）‌分布特征‌：氢键密度在孔道表面形成梯度分布（峰值3.1 bonds/nm³），向中心逐渐降低至2.5 bonds/nm³。氢键方向性显著（>70%沿Z轴取向），促进定向传输。‌机制‌：羟基（-COH）修饰诱导界面水分子有序排列，形成“氢键引导层”，抑制离子渗透并增强通量。‌Case5（GO-COOH）‌分布特征‌：氢键密度在羧酸基团附近极化（局部峰值3.5 bonds/nm³），远离基团区域密度骤减（<2.0 bonds/nm³）。氢键寿命差异显著（基团区域>8 ps，其他区域<3 ps）。‌机制‌：-COOH的强氢键能力局部固定水分子，但非对称分布导致传输路径选择性增强。‌Case6（GO-COO⁻）‌分布特征‌：全电离羧酸根（-COO⁻）导致氢键密度整体降低（均值1.8 bonds/nm³），但分布均匀性提升（标准差<0.3）。氢键方向随机性增加，传输速率提升但选择性下降。‌机制‌：强负电荷通过双电层压缩水分子层厚度，削弱氢键网络但增强电渗流效应。
 

 
‌图6. 不同纳米孔内水分子偶极取向概率分布的对比。‌(a) Case1: G0-CH（小孔径）; (b) Case2: G0-COH（小孔径）; (c) Case3: GO-CH（大孔径）; (d) Case4: GO-COH（大孔径）; (e) Case5: GO-COOH; (f) Case6: GO-COO⁻‌黑色曲线：海水侧10 Å处；红色曲线：纳米孔功能区内；蓝色曲线：淡水侧10 Å处‌

各案例偶极取向分布特征与机制解析

‌Case1（G0-CH，小孔径）‌分布特征‌：‌海水侧（黑）‌：偶极取向呈宽峰分布（θ≈90°±30°），表明界面水分子随机排列；‌孔内（红）‌：偶极角锐化为单峰（θ≈45°），指向孔道中心；‌淡水侧（蓝）‌：概率分布与海水侧相似，但峰值降低20%，无序性增强。‌机制‌：疏水-CH基团抑制水分子与孔壁相互作用，孔内受限空间迫使偶极沿传输方向部分有序排列，但缺乏持续驱动力‌。‌Case2（G0-COH，小孔径）‌分布特征‌：‌海水侧（黑）‌：偶极角分布向低角度偏移（θ≈60°±20°），预有序化显著；‌孔内（红）‌：强极化峰（θ≈15°），指向羧酸基团（-COH）的氢键受体位点；‌淡水侧（蓝）‌：分布对称性恢复，但保留弱取向记忆（θ≈75°）。‌机制‌：-COH基团通过氢键锚定水分子O-H键，诱导偶极沿电场方向（Z轴）定向排列，降低传输能垒。‌Case3（GO-CH，大孔径）‌分布特征‌：‌海水侧（黑）‌：宽峰（θ≈90°±40°），高盐度导致强随机化；‌孔内（红）‌：双峰分布（θ≈30°和150°），反映水分子在疏水孔壁处的翻转运动；‌淡水侧（蓝）‌：单峰（θ≈105°），偶极反向极化。‌机制‌：大孔径内水分子受界面疏水效应与体相扩散竞争，形成动态翻转的“偶极震荡”现象。‌Case4（GO-COH，大孔径）‌分布特征‌：‌海水侧（黑）‌：预极化峰（θ≈50°），羟基吸引水分子H端朝向孔内；‌孔内（红）‌：窄峰（θ≈10°），偶极高度定向排列；‌淡水侧（蓝）‌：弱极化残留（θ≈80°），表明界面有序性向体相传递。‌机制‌：亲水-COH基团通过长程氢键网络调控偶极协同取向，形成跨尺度的定向传输通道。‌Case5（GO-COOH）‌分布特征‌：‌海水侧（黑）‌：极化峰分裂（θ≈20°和160°），反映羧酸基团的双重氢键位点；‌孔内（红）‌：强单峰（θ≈5°），偶极几乎完全沿Z轴排列；‌淡水侧（蓝）‌：极化残留显著（θ≈60°），有序性维持距离>1 nm。‌机制‌：-COOH的强酸性与部分电离特性产生局部电场，驱动水分子偶极超强定向，提升脱盐选择性。‌Case6（GO-COO⁻）‌分布特征‌：‌海水侧（黑）‌：宽峰（θ≈90°±50°），电荷屏蔽削弱预极化；‌孔内（红）‌：低角度平台分布（θ≈0°-30°），偶极一致性增强；‌淡水侧（蓝）‌：极化完全消失（θ≈90°±60°）。‌机制‌：全电离-COO⁻基团通过双电层压缩界面水厚度，偶极受强电场驱动定向，但高离子强度削弱长程效应。

1. 功能化石墨烯氧化物纳米孔的特性

2. 功能化石墨烯氧化物纳米孔的制备

3. 脱盐性能研究

4. 结论与展望