新春伊始，我院石国升研究员团队在高效盐水分离和净化技术领域再次取得重大突破，相关成果在《Science》正刊杂志发表，有力推动了上海大学环境学科“双一流”建设。
该研究工作中，石国升研究员为通讯作者，团队刘星副研究员为共同第一作者。团队联合华南理工大学韩宇教授团队、香港大学Lain-Jong Li教授团队及阿卜杜拉国王科技大学Ingo Pinnau教授、Vincent Tung教授团队等，通过精确控制单层二硫化钼（MoS₂）晶界的形成实现了高效水/离子分离，发表题为“Engineering grain boundaries in monolayer molybdenum disulfide for efficient water-ion separation”最新研究成果。
随着全球水资源短缺问题的日益严重，用于污水净化和海水脱盐的高效盐水分离和净化技术成为了科学研究的热点。二维材料因其独特的物理和化学性质，在分离膜领域备受关注。理想的二维材料膜应具备高选择性和高通量的分子传输能力，但目前在二维材料上实现大面积均匀的亚纳米孔结构仍面临挑战。传统的纳米孔制备方法（如离子或电子束辐照、化学或等离子体刻蚀）难以精确控制孔径和孔密度，导致膜性能受限。因此，探索一种能够在二维材料合成过程中直接形成精确孔结构的方法，对于提升分离膜性能具有重要意义。
石国升团队基于前期水合离子界面相互作用的新理解，原创性提出离子可以精准调控二维通道尺寸，“装订”石墨烯膜用于离子筛分和海水淡化，此外还首次揭示自然条件下反常化学计量比晶体Na2Cl/Na3Cl/K2Cl/Li2Cl/CaCl等反晶[Sci. Rep. 3, 3436(2013); Angew. Chem. Int. Ed. 10, 10190 (2014); Phys. Rev. Lett. 134, 12104 (2015); Phys. Rev. Lett. 117, 238102 (2016); Nature 550, 380 (2017); Nat. Chem. 10, 694 (2018); Natl. Sci. Rev. 8, nwaa274 (2021); J. Colloid Interface Sci. 648, 102 (2023); Nano Lett. 23, 10884 (2023); Nat. Water 1, 800 (2023); Small 60, 21, 2408566 (2025); J. Hazard. Mater. 487, 137078 (2025); J. Am. Chem. Soc. 147, 3478 (2025); Nano Lett. 25, 2334 (2025)]。基于这些前期工作对界面水合离子相互作用的理解以及对受限空间离子筛分和输运行为的认识，进一步发现通过调控MoS2晶界纳米孔缺陷尺寸，可以实现有效水/离子分离和离子精准筛分，达到海水淡化及离子精准提取的效果。
不同大小的缺陷结构对应不同尺寸的筛分通道，用于水/离子分离
研究团队结合分子动力学模拟和密度泛函理论计算，揭示了单层MoS₂晶界处形成的八元环（8-MR）孔结构的尺寸筛分效应，该孔径能够允许单链水分子快速通过，同时完全阻止水合离子（如Na⁺和Cl⁻）的通过。因此，单层MoS₂晶界处形成的八元环（8-MR）孔结构可以作为分子筛，有效分离水和离子。实验过程中，研究团队通过精确控制MoS₂晶粒的生长方向（固定0°或60°的相对取向），成功在大面积单层MoS₂膜中实现了丰富的8-MR孔结构。通过进一步调节晶粒生长时间、硫蒸气压力等参数，实现了对晶粒尺寸和晶界密度的精确调控。优化后的MoS₂膜在多种测试条件下展现出优异的性能，如高水渗透性、高离子选择性以及良好的机械和化学稳定性。这使得其在海水淡化、污水处理等领域具有广阔的应用前景，为二维材料在分离膜领域的应用提供了新的思路。该方法不仅能够精确控制孔结构，还能实现大面积连续膜的制备，具有重要的实际应用价值。
本研究工作由上海大学、上海市无机二维超材料原子调控与应用重点实验室、中国科学院青海盐湖所、国科温州研究院、华南理工大学、香港大学和阿卜杜拉国王科技大学等单位合作完成。该研究得到了国家自然科学基金委、香港特别行政区研究资助局、阿卜杜拉国王科技大学、青海省昆仑英才计划、青海省科委、上海市科委等经费支持。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado7489
