哈工大，重磅Science！

【导读】

近年来，基于膜的分离工艺在高能效、低碳排放和高设计灵活性的应用上展现出得天独厚的应用潜力，已经成为缓解全球水资源短缺、环境修复和资源回收的有效策略。在这其中，纳滤（NF）作为一种经济高效的膜分离工艺，在去除小分子和多价离子比其他处理技术更具有优势。更加重要的一点是，在水软化和净化过程中也展现出更多的可能性。在膜的研究过程中，通过界面聚合（IP）制备的聚酰胺（PA）膜是标准的NF膜，其具有的纳米结构和电离行为在决定膜性能方面发挥着至关重要的作用！但值得关注的是，现有的PA膜合成方案以控制扩散主导的液相反应为基础，这些液相反反应会产生低于标准的空间结构和电离行为。同时，还要考虑有机胺和酰氯之间的缩聚反应速率比聚合期间胺在有机相溶液中的扩散速率快几个数量级，因此具有传统的扩散优势的聚合很难实现理想的PA NF膜结构。虽然近些年来已经提出了众多的结构设计和分子工程策略，研究人员试图控制有机相和浸泡的间苯二胺（MPD）底物的温度，但空间调控明显不足，最终使得膜交联或生长抑制严重不足，探究一种切实可行的膜制备工艺已经成为进一步推进PA膜应用的关键！

【成果掠影】

在此，哈尔滨工业大学邵路教授（通讯作者）等人报道了一种冰约束界面聚合策略，以实现界面反应的有效动力学控制和六方多型（I_h）含单体的冰相，合理合成三维准层PA膜进行纳滤。同时，实验和分子模拟证实了潜在的膜形成机制，本文冰约束PA纳滤膜具有高密度电离结构和卓越的传输通道，实现了卓越的透水和出色的离子选择性。

值得注意的是，冰约束时间也是调整MPD-ice成核和结晶的一个重要参数，它可能会破坏MPD从冰中的分布和释放。冷冻8小时后得到I_h冰晶，得到3D准层结构。较短的冷冻时间（0.5小时和2小时）不足以使MPD-ice结晶成冰。此外，较长的冻结时间（12小时）导致MPD溶质分离部分沉淀和积累MPD分子，导致了不理想的孔隙结构。此外，由于有机溶剂在低温下的高粘度和高表面张力，MPD的溶解减少，导致PA膜表面形成缺陷。

相关研究成果以“Ice-confined synthesis of highly ionized 3D-quasilayered polyamide nanofiltration membranes”为题发表在Science上。

【核心创新点】

1.本文提出了一种冰约束界面聚合策略，以实现界面反应的有效动力学控制和六方多型（I_h）含单体的冰相，合理合成三维准层PA膜进行纳滤；

2.实验和分子模拟证实了潜在的膜形成机制，本文冰约束PA纳滤膜具有高密度电离结构和卓越的传输通道，实现了卓越的透水和出色的离子选择性。

【数据概览】

图一、冰约束界面聚合与PA NF膜结构© 2023 AAAS

图二、IC-IP机理的进一步研究© 2023 AAAS

图三、IC-PANF膜和C-PANF膜的电离行为和性能对比© 2023 AAAS

图四、IC-PANF膜的盐分离性能和离子选择性© 2023 AAAS

【成果启示】

综上所述，作者创新性地报道了一种IC-IP策略用于设计和开发PA NF膜的空间结构和电离行为。其中，得益于IC-IP过程中冰融化所特有的反应动力学和热力学，其最终的协同作用实现了PA NF膜的空间结构和电离行为的材料设计，并且形成的3D准分层结构结合了高透水性和离子筛分性能。因此，凭借本文所提出的策略，通用的“冰约束”合成方法可以有助于当前用于合成膜和各种先进材料。

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

本文由材料人CYM编译供稿。