Nature Materials：可控制備+高效分離，膜分離領域的新標桿！

01【導讀】

膜分離技術對節能分離、海水淡化和納米流體等領域有潛在的應用前景和科學研究價值。碳納米結構，如碳納米管 (CNT) 和石墨烯，由于其具有超平滑的表面且可通過排列或堆疊形成亞納米通道，被認為是制備下一代分離膜的合適材料。然而，在膜制造過程中難以實現規整的排列或堆疊，使其大規模實際應用仍然存在較大挑戰。

二維 (2D) 多孔碳質材料，例如石墨炔和二維共軛聚合物等，近年來被認為是理想的分離膜材料，因為它們具有垂直于膜平面的一維傳質通道，并且孔徑可以通過改變單體結構來調控。然而，由于這些材料的生長很難控制，尚未通過實驗獲得分子選擇性膜。超高真空沉積法已被用于合成二維多孔碳質材料。然而，該法制備的材料的橫向尺寸通常很小，使得二維多孔碳質材料膜的大面積可控制備面臨較大挑戰。

02【成果掠影】

近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學韓宇教授、Ingo Pinnau教授、東京大學Vincent Tung教授以及新加坡國立大學姜建文教授等人發表了研究性論文，使用化學氣相沉積 (CVD) 方法成功制備具有固有超微孔的大面積二維共軛聚合物框架 (CPF) 膜。CPF 膜表現出優異的水傳輸和分子篩分性質，優于已報道的用于由滲透壓驅動的水/一價離子分離的納米材料膜。有序 CPF 的出現為開發用于精確分子分離的碳基膜提供了新的途徑。

相關研究文章以“Fast water transport and molecular sieving through ultrathin ordered conjugated-polymer-framework membranes”為題發表在Nature Materials上。

03【核心創新點】

首次利用CVD方法實現了長程有序結構的共軛聚合物骨架膜的可控制備，實現了高效的水脫鹽性能（水/Na⁺選擇性為 6,854，水/K⁺選擇性為 5,695，水滲透速率為112?125?mol?m^?2?h^?1?bar^?1）。

04【數據概覽】

圖一、sCPF薄膜的合成與表征? 2022 Spring Nature

圖二、選擇性水和離子傳輸? 2022 Spring Nature

圖三、sCPF 膜的水傳輸的分子模擬? 2022 Spring Nature

圖四、sCPF和pCPF的分離機制比較? 2022 Spring Nature

05【成果啟示】

作者使用表面受限的 CVD 方法成功制造了大面積、超薄和有序的 CPF 膜。結合實驗和分子模擬表明，CPF結構的疏水亞納米通道確保了快速的水傳輸和分子篩分效應，在滲透和壓力驅動的水/離子分離測試中展現較好性能。CPF 膜的未來規模化生產可以通過使用米級單晶銅箔作為基底的連續卷對卷 CVD 技術來實現。此外，該方法將能夠通過合理的單體設計制備具有所需表面電荷特性和通道尺寸的超薄 CPF 膜，為其他應用的進一步發展提供新的平臺，包括離子篩分、滲透能量收集、單分子傳感等。

原文詳情：Shen, J., Cai, Y., Zhang, C. et al. Fast water transport and molecular sieving through ultrathin ordered conjugated-polymer-framework membranes. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01325-y.