吉林大學于吉紅院士研究團隊Chem. Sci. ：具有液下雙疏特性的聚合物納米纖維膜的制備及浸潤機理探究

【引言】

相比于潤濕行為不可逆的材料，具有可調控浸潤性的表面在液體輸送、微滴反應器以及選擇性油水分離等領域中有著更為廣泛的應用，因此獲得了人們的極大關注。其中，液下雙疏的表面材料的浸潤性可隨預浸潤液體的不同而改變，即當水浸潤時顯示疏油性，當油浸潤時顯示疏水性。目前關于該類表面材料的報道較少，并且沒有對這種特殊浸潤性的機理加以研究，因此這類材料的定向制備仍具挑戰性。

【成果簡介】

吉林大學于吉紅院士團隊報道了一種制備具有液下雙疏特性表面材料的有效方法，通過在靜電紡絲的聚丙烯腈（PAN）納米纖維膜上涂覆具有不同端基的薄膜，系統地調變PAN纖維膜表面的化學組成，開發了一系列具有：（1）水下親油/油下疏水；（2）水下疏油/油下親水；（3）液下雙疏的膜材料（TFPNMs）。同時，該修飾層可以提高PAN纖維在非質子性溶劑（例如DMF和DMSO）中的穩定性。其中，表面端基為氰基的PAN纖維膜（CTFPNM）具有液下超雙疏液的特性，可以實現對傳統油水混合物，甚至于表面活性劑穩定的水包油型和油包水型乳狀液的高效分離。通過引入熱力學的潤濕模型，證明了具有液下雙疏液性的表面是熱力學介穩的，而具有另外兩種液下浸潤性的表面是熱力學穩定的。該工作以平滑表面上水的本征接觸角（θ_w）為變量，有效地對上述三種液下浸潤性進行分類，并以此為基礎，根據任意未知表面的θ_w和粗糙度（R），可以預測其在特定油-水-固體系中的液下浸潤性。相關成果于近日發表在Chemical Science上。碩士研究生王琪菲為論文第一作者，邸建城副教授和于吉紅教授為論文共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖1. 表面涂覆薄膜的PAN納米纖維膜（TFPNMs）的制備

(a) 涂覆不同端基薄膜的PAN納米纖維的合成路徑

(b) 表面端基為氰基的PAN纖維 (CTFPNs)的SEM圖

(c) CTFPNs的TEM圖

圖2.CTFPNM的潤濕行為

(a,b) 在空氣中，水和環己烷分別浸潤到CTFPNM中的過程

(c,d) CTFPNM的在環己烷中水接觸角（θ_w/o）和在水中環己烷接觸角（θ_o/w）

(e,f) 多種油水體系中的θ_w/o和θ_o/w

圖3. CTFPNM對表面活性劑穩定的乳狀液的分離

(a) 水浸潤的CTFPNM對水包油型（環己烷/水）乳狀液中的分離

(b) 油浸潤的CTFPNM對油包水型（水/環己烷）乳狀液的分離

圖4. 不同端基TFPNMs的液下浸潤性

(a) 環己烷-水-固體系中，水的本征接觸角 (θ_w) 和TFPNMs的液下潤濕行為之間的關系

(b,c,d) 分別為具有水中疏油性/油中親水性、液下雙疏性、水中親油性/油中疏水性表面的示意圖

(e) 熱力學潤濕模型1的示意圖

【小結】

研究團隊通過系統調控聚丙烯腈（PAN）納米纖維膜的表面化學組成，成功地制備了具有不同液下浸潤性的膜材料（TFPNMs）。其中，氰基為端基的纖維膜（CTFPNM）具有機械強度高，在有機溶劑中穩定性高，以及液下超雙疏等特性，可以實現對任意不互溶的油水混合物，甚至對于表面活性劑穩定的乳液的高效分離。他們證明了具有雙疏液性的表面為熱力學介穩態，同時預測并且證實了在已知的油-水-固體系中，具有雙重疏液性表面的水本征接觸角（θ_w）所在的特定范圍。這項工作揭示了材料表面的液下潤濕行為的熱力學本質，從θ_w的角度提出了制備表面具有雙疏液性的材料的設計原則。這種材料在諸如相轉移催化、微流體器件等的很多領域有著廣泛的潛在應用。

文獻鏈接：Under-liquid dual superlyophobic nanofibrous polymer membranes achieved by coating thin-film composites: a design principle（Chem. Sci. ,2019,DOI:10.1039/C9SC01607D）

【團隊介紹】

于吉紅院士研究團隊依托于吉林大學無機合成與制備化學國家重點實驗室。近五年來，課題組在分子篩多孔功能材料的設計合成及其在催化、分離及主客體組裝等方面的應用開展了系列原創性研究，研究成果發表在Science、Chem、Sci. Adv.、Nat.Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.等期刊上，相關成果獲國家自然科學二等獎1項。課題組近五年主持國家973項目、國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金重點項目/創新團隊項目/重大國際合作項目及“111”引智計劃等國家重要科研項目。課題組與許多國外一流大學及著名研究機構建立了廣泛的交流與合作。

課題組網站：http://melab.jlu.edu.cn

【團隊在利用浸潤性原理實現多孔功能材料用于液體分離方面的代表性工作】

【1】Wen, Q.; Di, J. C.; Zhao, Y.; Wang, Y.; Jiang, L.; Yu, J. H.*, “Flexible inorganic nanofibrous membranes with hierarchical porosity for efficient water purification”, Chemical Science, 4(2013), 591-595.

【2】Wen, Q.; Di, J. C.; Jiang, L.; Yu, J. H.*; Xu, R. R., “Zeolite-coated mesh film for efficient oil-water separation”, Chemical Science, 4(2013), 4378-4382.

【3】Wang, Y.; Di, J. C.; Wang, L.; Li, X.; Wang, N.; Wang, B. X.; Tian, Y.*; Jiang, L.; Yu, J. H.*,“Infused-liquid-switchable porous nanofibrous membranes for multiphase liquid separation”, Nature Communications, 8(2017), 575.

【4】Wang. Y.; Wang, B. X.; Wang, Q.F.; Di. J. C.*; Miao, S. D.; Yu, J. H.*, “Amino-functionalized porous nanofibrous membranes for simultaneous removal of oil and heavy-metal ions from wastewater”, ACS Appl Mater Interfaces, 11(2019), 1672-1679.

【5】Wang, Q.F.; Wang, Y.; Wang, B. X.; Liang, Z. Q.; Di, J. C.*; Yu, J. H.*, “Under-liquid dual superlyophobic nanofibrous polymer membranes achieved by coating thin-film composites: a design principle”,Chemical Science, 2019, DOI:10.1039/C9SC01607D.

【相關優質文獻推薦】

【1】X. Tian, V. Jokinen, J. Li, J. Sainio, R. H. Ras, Adv. Mater. 2016, 28, 10652-10658.

【2】A. R. Bielinski, M. Boban, Y. He, E. Kazyak, D. H. Lee, C. Wang, A. Tuteja, N. P. Dasgupta, ACS Nano. 2017, 11, 478-489.

【3】T. S. Wong, S. H. Kang, S. K. Tang, E. J. Smythe, B. D. Hatton, A. Grinthal, J. Aizenberg, Nature 2011, 477, 443-447.

【4】F. Xia, L. Feng, S. Wang, T. Sun, W. Song, W. Jiang, L. Jiang, Adv. Mater. 2006, 18, 432-436;

【5】W. Zhang, N. Liu, Q. Zhang, R. Qu, Y. Liu, X. Li, Y. Wei, L. Feng, L. Jiang, Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 5740-5745.

本文由kv1004供稿。