第一作者： 王祝愿博士
通讯作者： 张西旺教授
通讯单位： 澳大利亚昆士兰大学二氧化碳转化卓越研究中心
论文DOI： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.5c00025
膜材料在水净化、气体捕集、离子分离、膜蒸馏以及能源转换等多种高选择性传输过程中扮演着关键角色。近年来，二维膜的发展将分离机制从传统聚合物中的溶解-扩散模式，转变为埃级至纳米级狭缝通道中的尺寸选择性迁移，带来了独特的纳米限域效应与广阔应用前景。本综述全面回顾了将层状晶体转化为高性能二维层状膜的关键路径，包括单层碳材料的制备、大规模二维纳米片的可控剥离、膜的有序构建与通道精密调控，并探讨了其结构对质量传输行为的深远影响。文章还简要比较了原子级超薄膜和二维混合基体膜的最新进展，覆盖了从材料制备、膜构筑到膜功能调控的整个技术链。研究内容横跨水处理、溶剂和气体分离、电化学储能与CO2转化等多个环境与能源前沿领域，为推动二维膜技术的实际应用提供了系统的理论支撑与未来方向。
在环境与能源相关的各类分离与转化应用中，高选择性膜材料发挥着不可替代的核心作用。自1949年反渗透膜首次被提出以来，以聚合物为基础的膜材料广泛应用于海水淡化、废水处理、资源回收、气体分离、药物纯化和电化学能量转换等多个领域。然而，传统聚合物膜存在结构不规则、溶胀、易降解等固有限制，难以满足日益增长的性能需求。这促使研究者不断探索新一代膜材料。
在众多备选体系中，二维膜（2D membranes）因其优异的力学、电学与热学性能、极高的比表面积以及可控的层间通道结构，成为近年来膜研究的重要方向。自2004年石墨烯实验室制备突破以来，二维材料逐步被开发为膜构筑单元，尤其是通过堆叠纳米片构建层状通道结构，使得分离机制从传统的溶解-扩散模式转变为埃级尺度下的尺寸选择性迁移。这一结构特性不仅赋予其独特的质量传输能力，也为纳米限域下的选择性离子、水分子等传输行为研究提供了理想模型。
尽管二维膜展示出巨大潜力，但相比成熟的商业化聚合物膜技术，仍处于发展的早期阶段，尤其是在纳米片规模化制备、膜结构有序构建以及膜性能可控调控等方面仍面临技术瓶颈。鉴于此，本文系统综述了二维层状膜从前驱体剥离、膜构建到通道调控的完整研究链条，并简要回顾了原子级超薄膜（ATMs）和二维混合基体膜（MMMs）的最新进展，涵盖从天然矿物（如石墨烯、h-BN）到人工合成材料（如g-C3N4、COFs、MOFs）在内的整个二维膜材料体系。综述还重点讨论了其在水处理、离子分离、有机溶剂纳滤、气体分离、膜蒸馏及电化学能量转化等多元场景下的应用潜力，旨在为二维膜研究提供历史脉络、物理化学机制与工程实践的系统指引，帮助新老研究者更好地把握这一快速发展的领域。
1. 系统梳理二维膜发展路径：全面回顾了自石墨烯发现以来二维膜的发展历程，从材料制备、膜构建到传输调控，构建起完整的二维膜技术演化图谱。
2. 覆盖全体系二维膜材料：从天然矿物（如石墨烯、h-BN）到人工合成材料（如g-C₃N₄、COFs、MOFs），系统讨论了其物理化学特性与膜构建适配性。
3. 深入解析纳米限域传输机制：聚焦于二维层状膜通道结构的构建与调控，揭示其在水分子、离子、气体等选择性传输中的本质机制。
4. 横跨多个应用领域：综述涵盖水处理、气体分离、溶剂纳滤、电化学能量转换与存储等关键领域，突出二维膜在环境与能源中的广阔前景。
5. 聚焦三大关键环节：剥离—重构—调控：提出将“剥离-膜组装-功能调控”视为技术核心链条，强调多学科交叉融合对于推动二维膜实用化的意义。
图一. 概括展示了二维纳米片层状高选择性膜技术的发展历程，从构建单元的制备、膜的有序组装、结构功能调控到多场景应用四个关键环节依次展开。该图追踪了自石墨烯等二维材料被成功剥离以来，研究者如何通过多种策略实现纳米片的规模化制备，并利用层层堆叠构建出具有埃级至纳米级通道的膜结构。随着对膜内通道结构和界面环境的深入理解，膜的传输性能可通过功能化修饰、插层技术及外场调控等方式实现精准调节，进而拓展其在水处理、气体分离、电化学储能与CO2转化等多个前沿领域的应用潜力。图中引用的多个经典研究成果也共同构成了二维膜技术演进的代表性里程碑。
图二. 描绘了二维膜从原始层状晶体演变为功能化层状膜的剥离–重构–调控–应用闭环过程。首先，通过化学氧化、机械剥离、插层膨胀等多种剥离技术，实现高质量原子级二维纳米片的规模化制备；随后，在外部调控下将这些纳米片有序平行排列，形成层间狭缝通道，构建出膜结构；最终，通过调控通道尺寸、长度、入口出口结构、化学环境与外部刺激等关键参数，实现对传输行为的精准控制，使膜在水处理、离子选择性、气体分离、电化学转化等方面展现出优异性能。
图中强调：二维膜的独特材料属性与结构可调通道相结合，为其替代传统聚合物膜提供了强有力的基础。实现这一路径的关键在于打通剥离、构建与调控之间的技术壁垒，且这一过程高度依赖材料科学、化学、膜工程等多学科的协同合作，以推动该类膜材料在实际环境与能源领域的应用落地。
图三. 展示了不同纳米片制备方法所获得产物在剥离产率方面的可视化对比。通过图示形式，直观呈现了如超声剥离、高速剪切、球磨、化学氧化、插层法等技术在生产效率上的差异。图中各方法对应的产物类型、厚度范围和尺寸分布也可能被标注，帮助读者一目了然地了解不同技术在实现高质量、大规模二维纳米片制备方面的优劣势。该图强调了高产率与高质量之间的权衡关系，为研究者选择合适的剥离策略提供了重要参考依据。
图四. 以可视化方式系统对比了不同二维膜材料的通道结构特性与分离性能：图(a)显示各类二维膜在不同制备方法下实现的通道尺寸控制精度；图(b)展示了膜厚度的广泛可调范围，说明在不同厚度条件下仍可维持优异性能；图(c)对比了水通量，突出二维膜在高渗透性方面的优势；图(d)则展示了NaCl截留率，反映其在盐分去除中的高选择性表现。全面呈现了多种二维膜的结构参数与关键性能指标之间的关系，强调了二维膜材料在高效分离应用中的潜力与多样性。
图五. 展示了不同二维膜材料在多种制备方法下的关键结构参数与分离性能指标的对比分析。
图(a)对比了膜厚度范围，突显不同方法在膜构建厚度控制上的差异；图(b)呈现了有效通道尺寸在各类膜材料中的分布情况，反映制备方式对孔径调控的影响；
图(c)展示了NaCl截留率，揭示其在高选择性分离方面的能力；图(d)比较了各膜体系的水通量性能，说明在高通量需求下各类膜的渗透表现。基于广泛文献调研汇总而成，系统反映了二维膜性能与结构之间的构建策略依赖性。
图六. 对比分析了二维膜与传统聚合物膜在NaCl和Na2SO4截留性能方面的表现差异。图(a)展示了在NaCl分离过程中，二维膜与聚合物膜的水通量（LMH/bar）与截留率之间的关系，采用对数-线性坐标，突出二维膜在保持高截留率同时实现更高通量的潜力；图(b)则呈现了在Na2SO4分离中的相应对比，进一步验证了二维膜在多种无机盐分离中的性能优势。系统体现出二维膜在渗透性能与选择性之间的优异平衡性，显示其作为聚合物膜潜在替代材料的应用前景。
总的来看，二维层状膜凭借其可调控的纳米通道结构、优异的分离性能和多样化的材料来源，展现出在水处理、气体分离和能源转化等领域的巨大应用潜力。未来的发展仍需聚焦于三个核心方向：一是突破单层纳米片的规模化制备与有序组装技术，实现商业可行的卷对卷制膜工艺；二是深入解决膜污染、浓差极化、机械稳定性与通道缺陷等实际应用难题，推动二维膜从实验室走向工业化；三是聚焦“杀手级”应用场景，如电化学离子交换膜和膜色谱纯化等新兴方向，以发挥二维材料的结构与表面优势，赋能高附加值产业。实现这些目标不仅需要材料科学、化学工程与膜技术的紧密协同，更依赖于对现实应用场景的深入理解与系统工程思维的引入。可以预见，在多学科融合和持续创新的推动下，二维膜技术将在下一代分离与净化技术中占据关键地位。
Zhuyuan Wang; Jindi Yang; Ming Yong; Xiangkang Zeng; Mike Tebyetekerwa; Kaige Sun; Chuanbiao Bie; Chao Xing; Huanting Wang; Daria V. Andreeva; Kostya S. Novoselov; Xiwang Zhang. From Layered Crystals to Permselective Membranes: History, Fundamentals, and Opportunities. Chem. Rev. 2025
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.5c00025
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