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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(shí)現(xiàn)高水滲透率和高選擇性

2025-03-16 來(lái)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(duì)于高效節(jié)能的海水淡化和精準(zhǔn)水處理至關(guān)重要，而提升膜的選擇性已被視為分離科學(xué)領(lǐng)域的新前沿。現(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(shí)現(xiàn)更精確溶質(zhì)分離方面的理性設(shè)計(jì)。

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，香港科技大學(xué)安京珍教授 （原香港城市大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院）、牛津大學(xué)鄭爽博士以及香港城市大學(xué)盧剛博士（第一作者兼通訊作者）報(bào)道了一種利用納米受限空間中的多價(jià)氫鍵相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)可控有序結(jié)晶的策略。當(dāng)兩親性低聚物在空氣/水界面上擴(kuò)散時(shí)，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(qiáng)極性部分則通過強(qiáng)氫鍵與水分子發(fā)生強(qiáng)烈相互作用，實(shí)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(lái)了雙重優(yōu)勢(shì)：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(tuán)的低聚物相比，優(yōu)化后的6納米厚膜在壓力驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)力學(xué)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(jià)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(jìn)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(qiáng)鍵限制了聚合物鏈的運(yùn)動(dòng)，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(qiáng)了水滲透性。這項(xiàng)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(qiáng)調(diào)了可控結(jié)晶在超薄膜中實(shí)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(zé)任編輯：xu）

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