南工大Nano Lett.：“納米封裝”同步實現納濾膜的納米結構構筑和原位功能化

【研究背景】

面對全球水污染和水資源短缺的危機，分子篩分膜在微污染物去除和資源回收方面存在巨大潛力。具有高選擇滲透性的納濾膜，是實現亞納米尺度上高效分子篩分的理想材料。這些膜，特別是薄層復合納濾膜（TFC），通常在多孔基底上涂覆具有亞納米選擇性的聚酰胺層，以調控膜的孔徑（孔徑篩分效應）和表面電荷（Donnan 效應）。這需要逐層涂覆策略，以實現納濾膜的納米結構構建和表面電荷調控。繁瑣的制備步驟和復雜的處理過程，不可避免地在膜的效能和工藝效率之間產生矛盾。

【成果簡介】

近日，南京工業大學孫世鵬教授團隊首次通過在目標位置精確釋放封裝的納米膠囊，同步實現了納濾膜的納米結構精準構筑和表面電荷調控。制備的納濾膜具有卓越的選擇滲透性（通量37.4 L m^-2 h^-1 bar^-1，Janus Green B-511 Da的截留率達98.7％），以及精準的尺寸和電荷選擇特性。該文章近日以題為“Encapsulated Polyethyleneimine Enables Synchronous Nanostructure Construction and In Situ Functionalization of Nanofiltration Membranes”發表在知名期刊Nano Letters上，論文的第一作者為南京工業大學化工學院研究生夏前程。

【圖文導讀】

圖一、PEI@Boc納米膠囊的合成與表征

（a）胺基保護反應機理；PEI₁₈₀₀修飾劑和PEI₁₈₀₀@Boc納米膠囊的（b）FTIR光譜和（c）尺寸分布

圖二、PEI膜的制備與表征

（a）在鹽酸凝固浴中的化學反應與膜的相分離過程原理圖。（b-c）膜表面和橫截面的掃描電鏡圖像。表面標尺1 μm，橫截面 50 μm。（d）膜表面N元素分析。

圖三、PEI-PI膜的納米結構構筑

（a）不同PEI@Boc含量 (26 wt%聚合物，0.1 mol L^-1 HCl凝固浴)和（b）HCl濃度(26 wt%聚合物，4 wt% PEI@Boc) 下，PEI₁₈₀₀-PI₂₆膜的滲透選擇性。（c）PEI@Boc納米膠囊的引入對膜的無序聚合物鏈進行構型重排（利用JB和AB-8染料溶液評價膜的納濾性能）

圖四、膜表面電荷

PEI-PI₂₆膜的表面電荷受PEI分子量的調控

圖五、PEI₁₈₀₀-PI₂₆膜的性能評價

（a）以膜孔徑為中心的散點圖，溶質基于尺寸分布于四個象限內。（b）膜的尺寸和電荷選擇性分離。染料: Neutral red (289 Da，正電), Janus Green B (511 Da，正電) 和Acid Fuchsin (585 Da，負電)；（c）性能對比。

【結論展望】

綜上所述，作者將PEI@Boc納米膠囊引入膜的制備過程，在目標位置精確釋放進行原位化學修飾，同步實現了納濾膜的納米結構構建和表面電性調控。所提出的納米封裝策略極大簡化了制備過程，并顯著降低成本，這使得納濾膜制備在工業化應用中，更具經濟和可重復性。這項研究為簡單、精準和高效地設計下一代納濾材料開辟了全新的途徑。

文獻鏈接：Encapsulated Polyethyleneimine Enables Synchronous Nanostructure Construction and In Situ Functionalization of Nanofiltration Membranes (Nano Lett., 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03288)

本文由大兵哥供稿。

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