膜分离技术凭借低碳、环保等优势，已在生物能源、水处理和气体分离等领域得到广泛应用。然而，膜污染、溶胀及物理损伤等问题难以避免，导致膜材料在使用过程中性能逐步衰退，最终沦为废弃物。当前主流的填埋或焚烧处理方式，不仅浪费资源，也带来新的环境负担。因此，废弃聚合物膜的末端处置问题日益凸显，已成为制约膜技术可持续发展的关键瓶颈之一。值得关注的是，现有膜材料多采用永久化学交联结构成膜，高键能特性使其难以再加工，这成为突破废弃膜回收与再利用技术的核心挑战。

  针对上述难题，北京化工大学秦培勇教授、司志豪副教授联合曹鹏飞教授通过光控动态交联网络设计，成功开发出一种兼具可闭环化学回收能力与优异分离性能的高分子弹性体分离膜。在365 nm UV光照射下，仅需10分钟即可在室温下交联成膜；而切换至254 nm UV光，无需催化剂，膜材料可在35分钟内解聚为线性高分子，实现光控可逆的固-液转化（图1）。核心动态蒽基的物理尺寸提升了渗透分子的传质自由度，经过5次完整“交联-解聚-再交联”的回收循环后，再生膜对乙醇渗透汽化的分离因子和膜通量相较于原始膜的偏差分别仅在3.5%和5.6%以内，展现出稳定的分离性能恢复能力。该工作为新一代可持续分离膜材料提供了分子设计的新范式。

  相关论文以“Closed-Loop Chemically Recyclable Separation Membranes with Superior Pervaporation Performance”为题，发表在Advanced Materials上，庄严博士为第一作者。

图1. 光控动态交联网络的设计理念

分子设计与结构表征

  PDMS凭借低T_g促进动态回收，依靠高疏水性提升分离选择性，成为理想的分离膜材料。研究团队设计合成了蒽功能化PDMS（Anth-PDMS），在365 nm UV光辐照下发生光二聚反应，形成交联网络CL-Anth-PDMS（图2a）。核磁共振氢谱与红外光谱等表明，蒽基成功键合至PDMS并主导交联反应（图2b-c）；过渡态能量计算证实光二聚反应的可行性（图2d）。此过程Anth-PDMS仅需10分钟即可实现91.3%的蒽基转化（图2e-h），显示出室温下快速成膜的技术优势。

图2. 分子设计与结构表征。a, Anth-PDMS成膜原理。b-c, 蒽基改性剂的¹H NMR和FT-IR谱图。d, 改性剂及其过渡态、二聚体的相对能量。e, Anth-PDMS的实时红外光谱。f, 交联成膜实物图。g, Anth-PDMS的实时UV-vis光谱。h, 蒽基改性剂及其二聚体的HOMO与LUMO能级。

固-液转化特性

  研究发现，CL-Anth-PDMS在254 nm UV光辐照下发生解聚，展现出独特的可逆固-液转化特性（图3a）。IGMH结果表明，强σ键断裂、转变为弱范德华相互作用，蒽基间距增大，分子层面揭示固-液转化机制（图3b-c）。CL-Anth-PDMS解聚仅需35分钟；产物经365 nm UV光辐照10分钟，蒽基转化率达92.6%（图3d-e）；5次固-液循环后，物理化学结构稳定（图3f-g），该弹性体高分子材料展现出良好的闭环化学回收潜力。

图3. 固-液转化特性表征。a, CL-Anth-PDMS解聚原理。b, 蒽二聚体向蒽基转化的IGMH可视化结果。c, 蒽二聚体及蒽基单元的构型演变。d, 固-液转化实物图。e, CL-Anth-PDMS与回收Anth-PDMS的荧光发射光谱。f, Anth-PDMS固-液循环后的FT-IR。g, 回收前后Anth-PDMS和CL-Anth-PDMS的交联密度。

渗透汽化膜分离性能

  以乙醇/水为分离对象考察CL-Anth-PDMS渗透汽化分离性能（图4a-c）。分子动力学模拟结果表明，蒽基不仅起到动态交联作用，还可增加链间距、强化分子传质自由度（图4d）。所制备膜表现出优异的分离性能与运行稳定性（图4e-f）；凭借室温下快速可控、操作简单的技术优势，制得60×25 cm的膜样品，膜结构平整度高、性能稳定，制备技术展现出推广应用的可能性（图4g）。

图4. 渗透汽化膜分离性能。a, 渗透汽化原理图。b, 膜截面SEM图与Si元素EDX分布图、表面水接触角。c, CL-Anth-PDMS在60 °C下分离5 wt%乙醇/水溶液时的通量和渗透乙醇浓度。d, CL-Anth-PDMS的乙醇吸附行为。e, CL-Anth-PDMS分离稳定性评价。f, 与其他PDMS基分离膜的成膜条件与分离性能对比。g, 膜样品实物图及分离性能平行度评价。

闭环化学回收特性

  在动态键的牵引作用下，对于轻微膜损伤，经过254 nm/ 365nm UV光交替辐照，CL-Anth-PDMS可“软化-重构”实现缺陷自修复；3次损伤-修复后，乙醇分离因子可恢复至初始值的82.6%（图5a-b）。重要的是，研究验证了对于废弃膜的闭环化学回收能力，结果表明经过5次完整“交联-解聚-再交联”的循环后，乙醇分离因子和膜通量较原始膜的浮动分别低于3.5%和5.6%（图5c-d），除此之外对于多种有机物的也展现出性能的稳定恢复能力，解决了废弃膜难以回收再利用的难题（图5e）。

图5. 膜闭环化学回收特性。a, CL-Anth-PDMS损伤与自修复后的SEM。b, 5次损伤-修复循环后的分离性能评价。c, 5次闭环化学回收后的分离性能评价。d, 与其他PDMS基膜性能对比。e, CL-Anth-PDMS回收前后对不同有机物/水溶液的分离性能评价。

  总结而言，本研究基于动态化学与膜科学的交叉融合，构建了以动态蒽基为核心的分子交联结构设计，赋予高分子弹性体分离膜以闭环化学回收特性与高分离性能；该光控交联与解交联的技术操作简单、条件温和，为可持续分离膜的设计提供了新思路。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73725