随着社会不断的发展，污染问题也随之产生，尤其是水资源污染尤为严重，因此污水处理已经成为世界急需解决的严重问题，而开发用于水处理的材料也成为了科学界的研究热点，同时也是难点。氧化石墨烯具有高效的离子和分子筛能力，已经被认为是一种理想的水处理膜材料。然而，目前的研究表明，当对污水中的离子或分子进行有效的截留时，水的渗透速率通常较低，这严重限制了石墨烯膜在水处理中的应用。因此，制备高渗透性能且高截留率的氧化石墨烯膜一直是一项挑战。最近，光学工程陈亮团队通过实验和理论结合，利用改进电子束辐照还原方法，实现了对氧化石墨烯的精准还原，制备得到的石墨烯膜展示了出色的亲水性、超高渗透性能和稳定性能。该成果首次实现了氧化石墨烯的选择性还原，并对石墨烯膜在污水处理等应用方面提供了重要的理论和实验基础。相关论文在2020年10月《Carbon》(TOP期刊，影响因子8.821)上在线发表(https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.09.076)。

精确控制氧化石墨烯中的含氧基团类型—去除环氧、保留羟基，有望显著提升氧化石墨烯膜的亲水性、导电性、渗透性和稳定性、质子传导率等性能。然而，这种选择性的还原在目前的研究中仍然一直无法实现。

氧化石墨烯片层中，环氧(C-O-C)和羟基(C-OH)是两种主要的含氧基团，其含量接近，并随机分布在氧化石墨烯片层表面。研究表明，羟基(C-OH)对氢键的形成有重要作用，可以促进水分子在氧化石墨烯膜中的渗透。而环氧基团(C-O-C)对形成氢键的贡献相对较小，对水分子和溶质在通道内的传输形成阻力，不利于水分子和溶质的渗透。显然，如果能在保留羟基的同时，最大程度地减少环氧基团，有望极大改善膜的渗透性及其他性能。然而，目前传统的还原方法,比如热还原和化学还原法,可以同时大幅度降低环氧和羟基的含量,但无法达到精确地选择性还原某一类基团的目的。

在本研究中，通过理论计算分析，我们发现利用氢自由基(H•)和环氧基团反应，能产生新的羟基基团，这使得去除环氧、保留羟基成为可能！进一步通过改进电子束辐照的实验方法，形成以氢自由基(H•)为主的辐照环境，成功实现了环氧基团的选择性还原。制备得到的还原氧化石墨烯，在含氧量显著下降的同时具有极好的亲水性。更重要的是，制备的石墨烯膜在截留有机污染物和重金属废液时，展示出超高渗透性能和截留稳定性能。

该研究依托浙江省首批高校高水平创新团队（碳基纳米材料的物化特性及其应用研究团队），由浙江农林大学光学工程硕士研究生伊若冰、夏新明、杨如杰、喻日胜、以及生物物理硕士研究生代芳芳共同完成，伊若冰为论文的第一作者；陈亮教授、徐晶教授和上海大学吴明红教授为本文的共同通讯作者，浙江农林大学为第一发表单位。该工作得到了国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金委、浙江农林大学校科研发展基金，上海同步辐射光源BL01B线站的资助和支持。

碳基纳米材料的物化特性及其应用研究团队