安京珍教授/郑爽博士/卢刚博士《Nat. Commun.》：超薄可控结晶聚合物膜 - 实现高水渗透率和高选择性

2025-03-16 来源：高分子科技

开发具有优异渗透选择性性能的膜材料对于高效节能的海水淡化和精准水处理至关重要，而提升膜的选择性已被视为分离科学领域的新前沿。现有的致密和纳米多孔聚合物膜因其内部自由体积和孔结构的高度异质性，限制了材料在实现更精确溶质分离方面的理性设计。

为了应对上述挑战，香港科技大学安京珍教授 （原香港城市大学能源与环境学院）、牛津大学郑爽博士以及香港城市大学卢刚博士（第一作者兼通讯作者）报道了一种利用纳米受限空间中的多价氢键相互作用来实现可控有序结晶的策略。当两亲性低聚物在空气/水界面上扩散时，疏水部分排斥水分子，从而在纳米受限条件下形成有序排列的超分子低聚物，而强极性部分则通过强氢键与水分子发生强烈相互作用，实现纳米受限结晶域的可控组装和取向。这种重构带来了双重优势：一方面可均一化孔径分布提高选择性，另一方面增加了自由体积提升水渗透性。与含有弱极性基团的低聚物相比，优化后的6纳米厚膜在压力驱动条件下表现出14.8 LMH bar^-1的水渗透率和超过54 bar^-1的优异水/氯化钠选择性。

该研究成果以题为“Nano-confined controllable crystallization in supramolecular polymeric membranes for ultra-selective desalination”的论文发表在最新一期《Nature Communications》上。

图1. 聚合物纳米受限结晶对水盐选择性的示意图。

图2. NCC膜的形貌和结晶表征。

图3. NCC膜可控结晶和表面异质性。

图4. 脱盐性能。

图5. 分子动力学模拟。

总结：作者通过精心管理 UPy 末端两亲性低聚物在纳米受限空气/水界面的排列和结晶，开发出高性能反渗透膜。由于多价氢键相互作用，以 UPy 链段结尾的疏水性 PCL 链自然地调整并设置其在空气/水界面的分子构型，促进孔径的均匀分布，从而提高水/溶质选择性。另一方面，UPy 末端的强键限制了聚合物链的运动，导致可控结晶和膜表面异质性，这增加了自由体积比例并增强了水渗透性。这项研究揭示了纳米限制自组装和聚集体工程如何影响聚合物膜的结构、功能和性能，强调了可控结晶在超薄膜中实现最佳脱盐效果的前景。

原文链接：

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

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（责任编辑：xu）

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