氧化石墨烯（GO）以其單原子厚度有望實(shí)現(xiàn)膜過(guò)程的高效分離，如何解決GO膜的溶脹問(wèn)題并定向設(shè)計(jì)高性能分離膜是該過(guò)程的關(guān)鍵。
近日，安徽理工大學(xué)劉泉副教授在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》期刊上發(fā)表了題為“Enhancing ballistic transport and C
3-C
4 alcohol dehydration through machine learning-designed cationic graphene oxide membranes”的重要研究成果，采用機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）實(shí)現(xiàn)GO膜的水穩(wěn)定性與溶劑脫水性能的提升。
近年來(lái)，機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和分子模擬改變了傳統(tǒng)膜材料的研發(fā)模式。該研究采用ML輔助設(shè)計(jì)離子化GO膜，建立了包括溫度、化學(xué)基團(tuán)、離子負(fù)載量、離子大小和電荷等描述符與膜性能之間的多變量預(yù)測(cè)模型。采用分子模擬探究GO的水穩(wěn)定性：傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為GO穩(wěn)定機(jī)制源于“離子-π”作用；該研究考慮離子的實(shí)際水合效應(yīng)，提出“類(lèi)根狀氫鍵”穩(wěn)定膜層及水分子“彈道傳輸”機(jī)制。通過(guò)探索不同陽(yáng)離子，發(fā)現(xiàn)Ca
2+-GO膜最具氫鍵穩(wěn)定性和靜電捕水能力；通過(guò)滲透汽化測(cè)試，該ML設(shè)計(jì)的GO膜對(duì)異丙醇和丁醇表現(xiàn)出優(yōu)異的脫水性能，分離因子分別達(dá)到5922和46369，滲透性約48.5-123.6 GPU，遠(yuǎn)超現(xiàn)有的分離膜報(bào)道。該研究發(fā)展ML加速了高性能膜材料開(kāi)發(fā)并揭示GO膜的水穩(wěn)定機(jī)制，為研究者提供了定向設(shè)計(jì)思路與參考機(jī)制。
圖1機(jī)器學(xué)習(xí)之GO膜設(shè)計(jì)。
圖2 陽(yáng)離子GO膜捕水過(guò)程及“類(lèi)根狀”氫鍵穩(wěn)定膜層機(jī)制。
圖3 彈道傳質(zhì)過(guò)程中的位阻和靜電作用。
圖4 ML篩選最優(yōu)膜結(jié)構(gòu)。
圖5 ML設(shè)計(jì)Ca
2+-GO膜之性能對(duì)比。
作者：孫龍龍，劉泉，梁卓琳，楊忠連，張中標(biāo)
通訊作者：
劉泉，安徽理工大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師；2019年博士畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，導(dǎo)師：金萬(wàn)勤教授；主要從事膜分離方向研究，聚焦于膜過(guò)程傳質(zhì)機(jī)制與新型亞納米孔道膜材料的機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。個(gè)人信息主頁(yè)
https://orcid.org/0000-0002-0266-5570
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c05255
