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安京珍教授/鄭爽博士/盧剛博士《Nat. Commun.》：超薄可控結(jié)晶聚合物膜 - 實現(xiàn)高水滲透率和高選擇性
2025-03-16  來源：高分子科技

  開發(fā)具有優(yōu)異滲透選擇性性能的膜材料對于高效節(jié)能的海水淡化和精準水處理至關(guān)重要，而提升膜的選擇性已被視為分離科學領(lǐng)域的新前沿，F(xiàn)有的致密和納米多孔聚合物膜因其內(nèi)部自由體積和孔結(jié)構(gòu)的高度異質(zhì)性，限制了材料在實現(xiàn)更精確溶質(zhì)分離方面的理性設(shè)計。


  為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，香港科技大學安京珍教授 （原香港城市大學能源與環(huán)境學院）、牛津大學鄭爽博士以及香港城市大學盧剛博士（第一作者兼通訊作者）報道了一種利用納米受限空間中的多價氫鍵相互作用來實現(xiàn)可控有序結(jié)晶的策略。當兩親性低聚物在空氣/水界面上擴散時，疏水部分排斥水分子，從而在納米受限條件下形成有序排列的超分子低聚物，而強極性部分則通過強氫鍵與水分子發(fā)生強烈相互作用，實現(xiàn)納米受限結(jié)晶域的可控組裝和取向。這種重構(gòu)帶來了雙重優(yōu)勢：一方面可均一化孔徑分布提高選擇性，另一方面增加了自由體積提升水滲透性。與含有弱極性基團的低聚物相比，優(yōu)化后的6納米厚膜在壓力驅(qū)動條件下表現(xiàn)出14.8 LMH bar-1的水滲透率和超過54 bar-1的優(yōu)異水/氯化鈉選擇性。



  該研究成果以題為“Nano-confined controllable crystallization in supramolecular polymeric membranes for ultra-selective desalination”的論文發(fā)表在最新一期《Nature Communications》上。


圖1. 聚合物納米受限結(jié)晶對水鹽選擇性的示意圖。


圖2. NCC膜的形貌和結(jié)晶表征。


圖3. NCC膜可控結(jié)晶和表面異質(zhì)性。


圖4. 脫鹽性能。


圖5. 分子動力學模擬。


總結(jié)：作者通過精心管理 UPy 末端兩親性低聚物在納米受限空氣/水界面的排列和結(jié)晶，開發(fā)出高性能反滲透膜。由于多價氫鍵相互作用，以 UPy 鏈段結(jié)尾的疏水性 PCL 鏈自然地調(diào)整并設(shè)置其在空氣/水界面的分子構(gòu)型， 促進孔徑的均勻分布，從而提高水/溶質(zhì)選擇性。另一方面，UPy 末端的強鍵限制了聚合物鏈的運動，導(dǎo)致可控結(jié)晶和膜表面異質(zhì)性，這增加了自由體積比例并增強了水滲透性。這項研究揭示了納米限制自組裝和聚集體工程如何影響聚合物膜的結(jié)構(gòu)、功能和性能，強調(diào)了可控結(jié)晶在超薄膜中實現(xiàn)最佳脫鹽效果的前景。


原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-57353-0

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（責任編輯：xu）
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