哈工大，重磅Science！

【導讀】

近年來，基于膜的分離工藝在高能效、低碳排放和高設計靈活性的應用上展現出得天獨厚的應用潛力，已經成為緩解全球水資源短缺、環境修復和資源回收的有效策略。在這其中，納濾（NF）作為一種經濟高效的膜分離工藝，在去除小分子和多價離子比其他處理技術更具有優勢。更加重要的一點是，在水軟化和凈化過程中也展現出更多的可能性。在膜的研究過程中，通過界面聚合（IP）制備的聚酰胺（PA）膜是標準的NF膜，其具有的納米結構和電離行為在決定膜性能方面發揮著至關重要的作用！但值得關注的是，現有的PA膜合成方案以控制擴散主導的液相反應為基礎，這些液相反反應會產生低于標準的空間結構和電離行為。同時，還要考慮有機胺和酰氯之間的縮聚反應速率比聚合期間胺在有機相溶液中的擴散速率快幾個數量級，因此具有傳統的擴散優勢的聚合很難實現理想的PA NF膜結構。雖然近些年來已經提出了眾多的結構設計和分子工程策略，研究人員試圖控制有機相和浸泡的間苯二胺（MPD）底物的溫度，但空間調控明顯不足，最終使得膜交聯或生長抑制嚴重不足，探究一種切實可行的膜制備工藝已經成為進一步推進PA膜應用的關鍵！

【成果掠影】

在此，哈爾濱工業大學邵路教授（通訊作者）等人報道了一種冰約束界面聚合策略，以實現界面反應的有效動力學控制和六方多型（I_h）含單體的冰相，合理合成三維準層PA膜進行納濾。同時，實驗和分子模擬證實了潛在的膜形成機制，本文冰約束PA納濾膜具有高密度電離結構和卓越的傳輸通道，實現了卓越的透水和出色的離子選擇性。

值得注意的是，冰約束時間也是調整MPD-ice成核和結晶的一個重要參數，它可能會破壞MPD從冰中的分布和釋放。冷凍8小時后得到I_h冰晶，得到3D準層結構。較短的冷凍時間（0.5小時和2小時）不足以使MPD-ice結晶成冰。此外，較長的凍結時間（12小時）導致MPD溶質分離部分沉淀和積累MPD分子，導致了不理想的孔隙結構。此外，由于有機溶劑在低溫下的高粘度和高表面張力，MPD的溶解減少，導致PA膜表面形成缺陷。

相關研究成果以“Ice-confined synthesis of highly ionized 3D-quasilayered polyamide nanofiltration membranes”為題發表在Science上。

【核心創新點】

1.本文提出了一種冰約束界面聚合策略，以實現界面反應的有效動力學控制和六方多型（I_h）含單體的冰相，合理合成三維準層PA膜進行納濾；

2.實驗和分子模擬證實了潛在的膜形成機制，本文冰約束PA納濾膜具有高密度電離結構和卓越的傳輸通道，實現了卓越的透水和出色的離子選擇性。

【數據概覽】

圖一、冰約束界面聚合與PA NF膜結構? 2023 AAAS

圖二、IC-IP機理的進一步研究? 2023 AAAS

圖三、IC-PANF膜和C-PANF膜的電離行為和性能對比? 2023 AAAS

圖四、IC-PANF膜的鹽分離性能和離子選擇性? 2023 AAAS

【成果啟示】

綜上所述，作者創新性地報道了一種IC-IP策略用于設計和開發PA NF膜的空間結構和電離行為。其中，得益于IC-IP過程中冰融化所特有的反應動力學和熱力學，其最終的協同作用實現了PA NF膜的空間結構和電離行為的材料設計，并且形成的3D準分層結構結合了高透水性和離子篩分性能。因此，憑借本文所提出的策略，通用的“冰約束”合成方法可以有助于當前用于合成膜和各種先進材料。

文獻鏈接：“Ice-confined synthesis of highly ionized 3D-quasilayered polyamide nanofiltration membranes”（Science，2023，10.1126/science.adi9531）

本文由材料人CYM編譯供稿。