北京工业大学安全福教授最新《AM》: 聚合物纳米流体膜新进展！

具有分子/离子级超高选择性传输纳米通道的人工纳米流体装置可用于高效分离、催化、离子整流、生物传感器以及能量存储和转换。随着碳纳米管、二维纳米片、多孔框架和水通道蛋白的兴起，具有尺寸接近渗透分子/离子的纳米通道的纳米流体装置正吸引着新兴的兴趣。但大多数纳米流体装置的制备涉及复杂的纳米化学，例如费力的纳米蚀刻、低效的剥离和模板。此外，高能耗和有限的膜尺寸仍然是未解决的挑战。聚合物具有良好的成膜能力，然而，通常动态聚合物链是相互缠绕和紧密堆积的，此种膜结构不仅增加了传质阻力，而且降低了分离精度。已有研究表明基于MOF的膜表现出改善的水渗透性，但是在膜中形成无晶间裂纹的连续纳米通道是非常困难的。此外，与前沿的纳米流体膜相比，这些膜的透水性较差，合成复杂。因此，制备高效的聚合物纳米流体膜仍然是一个巨大的挑战。

为了解决以上问题，北京工业大学安全福教授课题组提出了刚性支架增强聚合物纳米粒子的界面通道来构建纳米流体膜的策略，通过在由两性离子多巴胺纳米粒子 (ZNP) 组成的聚合物膜中限制生长超薄MOF来自下而上合成模块化纳米流体。MOFs在ZNPs上的受限生长减少了ZNPs之间的链缠结，导致刚性界面通道增强了水分子通过膜的纳米流体传输。MOF@ZNPM 的水渗透性和溶质选择性都提高了1~2个数量级，创造了聚合物纳滤膜的高性能纪录。同时该膜纳米流体装置不仅在水处理和染料脱盐方面具有巨大的潜力，而且在催化、离子门控和生物传感方面也有前景。

文章亮点：

1、由于界面增强效应与化学交联效应，ZIF-8@ZNPM是刚性和耐压的，具有长期稳定性，不像松散的纳滤膜容易受到压力和操作时间的影响，在整个70小时运行过程中，ZIF-8@ZNPM的水渗透率保持在≈200 Lm-2h-1bar-1，对刚果红/Na2SO4选择性保持在≈9。

2、ZIF-8@ZNPM 中纳米通道的水渗透率 (4032 Lm-2h-1bar-1 ) 比通过块状ZIF-8晶体和原始ZNPM的水渗透率高1-2个数量级，并且高于所有在错流条件下运行的纳滤膜（包括由CNT、GO、MOF和COF制备的纳米流体膜），其超高透水性主要归因于纳米通道中的纳米流体流动。

3、ZIF-8@ZNPM在浓度范围广的染料分子/无机盐类多种类型的染料脱盐方面具有广阔的应用前景。当Na2SO4浓度升高时，ZIF-8@ZNPM 对染料分子选择性值从≈9.2 增加到≈20.7。ZIF-8@ZNPM 的超高溶质选择性超过了目前报道的最优的膜，因为ZIF-8@ZNPM 的纳米通道孔径 (0.89 nm) 远大于水合离子直径 (<0.86 nm)，因此所有无机盐都可能快速通过膜。此外，由于渗透压的增强以及带负电荷的ZIF-8@ZNPM 与阳离子之间的静电相互作用，盐的渗透性和染料/盐的选择性得到进一步提高。

4、除了ZIF-8@ZNPM，更多多孔的MOF（例如HKUST-1、ZIF-11）很容易在聚合物纳米模板周围生长，以使用相同的方法制备一系列膜纳米流体。这些膜都表现出相似的孔隙层次和超高透水率。

图 1. ZIF-8@ZNPM膜分离性能

图 2. ZIF-8@ZNPM膜染料脱盐性能