近年来，由于纳米技术、生物工程和生命科学研究等领域的突破性进展，固态纳米孔器件受到日益增多的关注。得益于其纳米级尺寸和高功能化的表面，固态纳米孔器件在分析、检测、分离以及能源转换等诸多领域被广泛研究。固态纳米孔器件的各项功能主要源于其表面与物质之间的相互作用，因此，对固态纳米孔器件的表面调控是实现各项功能的基础。化学修饰是调控固态纳米孔器件表面性质最常使用的方法之一。然而，现有化学修饰存在反应位点随机，容易造成缺陷等缺点，因而限制了当前固态纳米孔器件的性能。因此，发展一种针对固态纳米孔器件特定位点修饰的新方法能够为该领域的研究提供新的契机。
图1.定点修饰的纳米孔石墨烯器件
为了实现位点精准可控的化学修饰，北京大学集成电路学院王路达课题组以单层石墨烯为材料，借助微米纳米加工技术全国重点实验室平台，发展了一种预锚定的方法以定点修饰石墨烯固态纳米孔器件（如图1）。在本研究中，通过该方法对石墨烯纳米孔进行精确的定点修饰，得到具有高功能化，高表面电荷密度的石墨烯纳米孔。理论模拟表明，纳米孔附近表面电荷密度的提高能够带来优异的阴阳离子选择性和盐差能转换性能。离子输运测量表明，在100倍盐度梯度下，定点修饰的纳米孔石墨烯器件实现了81.6 W m-2的功率密度和35.4%的能量转换效率，优于当前报道的最先进的石墨烯基盐差能发电器件。
该研究发展了一种定点修饰限域空间的方法，通过该方法制备出了高功能化，高表面密度的石墨烯固态纳米孔器件。同时，该定点修饰的固态纳米孔器件也展示了其在能源、分离和传感等领域中的应用潜力。
相关成果以“Preanchoring Enabled Directional Modification of Atomically Thin Membrane for High-Performance Osmotic Energy Generation”为题，发表在《Nano Letters》上（https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c03041）。北京大学集成电路学院博士生刘原铖为第一作者，王路达研究员为通讯作者。
以上研究工作得到国家自然科学基金与集成电路高精尖创新中心等项目支持。
