南工大Nano Lett.：“纳米封装”同步实现纳滤膜的纳米结构构筑和原位功能化

【研究背景】

面对全球水污染和水资源短缺的危机，分子筛分膜在微污染物去除和资源回收方面存在巨大潜力。具有高选择渗透性的纳滤膜，是实现亚纳米尺度上高效分子筛分的理想材料。这些膜，特别是薄层复合纳滤膜（TFC），通常在多孔基底上涂覆具有亚纳米选择性的聚酰胺层，以调控膜的孔径（孔径筛分效应）和表面电荷（Donnan 效应）。这需要逐层涂覆策略，以实现纳滤膜的纳米结构构建和表面电荷调控。繁琐的制备步骤和复杂的处理过程，不可避免地在膜的效能和工艺效率之间产生矛盾。

【成果简介】

近日，南京工业大学孙世鹏教授团队首次通过在目标位置精确释放封装的纳米胶囊，同步实现了纳滤膜的纳米结构精准构筑和表面电荷调控。制备的纳滤膜具有卓越的选择渗透性（通量37.4 L m^-2 h^-1 bar^-1，Janus Green B-511 Da的截留率达98.7％），以及精准的尺寸和电荷选择特性。该文章近日以题为“Encapsulated Polyethyleneimine Enables Synchronous Nanostructure Construction and In Situ Functionalization of Nanofiltration Membranes”发表在知名期刊Nano Letters上，论文的第一作者为南京工业大学化工学院研究生夏前程。

【图文导读】

图一、PEI@Boc纳米胶囊的合成与表征

（a）胺基保护反应机理；PEI₁₈₀₀修饰剂和PEI₁₈₀₀@Boc纳米胶囊的（b）FTIR光谱和（c）尺寸分布

图二、PEI膜的制备与表征

（a）在盐酸凝固浴中的化学反应与膜的相分离过程原理图。（b-c）膜表面和横截面的扫描电镜图像。表面标尺1 μm，横截面 50 μm。（d）膜表面N元素分析。

图三、PEI-PI膜的纳米结构构筑

（a）不同PEI@Boc含量 (26 wt%聚合物，0.1 mol L^-1 HCl凝固浴)和（b）HCl浓度(26 wt%聚合物，4 wt% PEI@Boc) 下，PEI₁₈₀₀-PI₂₆膜的渗透选择性。（c）PEI@Boc纳米胶囊的引入对膜的无序聚合物链进行构型重排（利用JB和AB-8染料溶液评价膜的纳滤性能）

图四、膜表面电荷

PEI-PI₂₆膜的表面电荷受PEI分子量的调控

图五、PEI₁₈₀₀-PI₂₆膜的性能评价

（a）以膜孔径为中心的散点图，溶质基于尺寸分布于四个象限内。（b）膜的尺寸和电荷选择性分离。染料: Neutral red (289 Da，正电), Janus Green B (511 Da，正电) 和Acid Fuchsin (585 Da，负电)；（c）性能对比。

【结论展望】

综上所述，作者将PEI@Boc纳米胶囊引入膜的制备过程，在目标位置精确释放进行原位化学修饰，同步实现了纳滤膜的纳米结构构建和表面电性调控。所提出的纳米封装策略极大简化了制备过程，并显著降低成本，这使得纳滤膜制备在工业化应用中，更具经济和可重复性。这项研究为简单、精准和高效地设计下一代纳滤材料开辟了全新的途径。

文献链接：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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