Nature Materials：可控制备+高效分离，膜分离领域的新标杆！

01【导读】

膜分离技术对节能分离、海水淡化和纳米流体等领域有潜在的应用前景和科学研究价值。碳纳米结构，如碳纳米管 (CNT) 和石墨烯，由于其具有超平滑的表面且可通过排列或堆叠形成亚纳米通道，被认为是制备下一代分离膜的合适材料。然而，在膜制造过程中难以实现规整的排列或堆叠，使其大规模实际应用仍然存在较大挑战。

二维 (2D) 多孔碳质材料，例如石墨炔和二维共轭聚合物等，近年来被认为是理想的分离膜材料，因为它们具有垂直于膜平面的一维传质通道，并且孔径可以通过改变单体结构来调控。然而，由于这些材料的生长很难控制，尚未通过实验获得分子选择性膜。超高真空沉积法已被用于合成二维多孔碳质材料。然而，该法制备的材料的横向尺寸通常很小，使得二维多孔碳质材料膜的大面积可控制备面临较大挑战。

02【成果掠影】

近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学韩宇教授、Ingo Pinnau教授、东京大学Vincent Tung教授以及新加坡国立大学姜建文教授等人发表了研究性论文，使用化学气相沉积 (CVD) 方法成功制备具有固有超微孔的大面积二维共轭聚合物框架 (CPF) 膜。CPF 膜表现出优异的水传输和分子筛分性质，优于已报道的用于由渗透压驱动的水/一价离子分离的纳米材料膜。有序 CPF 的出现为开发用于精确分子分离的碳基膜提供了新的途径。

相关研究文章以“Fast water transport and molecular sieving through ultrathin ordered conjugated-polymer-framework membranes”为题发表在Nature Materials上。

03【核心创新点】

首次利用CVD方法实现了长程有序结构的共轭聚合物骨架膜的可控制备，实现了高效的水脱盐性能（水/Na⁺选择性为 6,854，水/K⁺选择性为 5,695，水渗透速率为112−125 mol m⁻² h⁻¹ bar⁻¹）。

04【数据概览】

图一、sCPF薄膜的合成与表征© 2022 Spring Nature

图二、选择性水和离子传输© 2022 Spring Nature

图三、sCPF 膜的水传输的分子模拟© 2022 Spring Nature

图四、sCPF和pCPF的分离机制比较© 2022 Spring Nature

05【成果启示】

作者使用表面受限的 CVD 方法成功制造了大面积、超薄和有序的 CPF 膜。结合实验和分子模拟表明，CPF结构的疏水亚纳米通道确保了快速的水传输和分子筛分效应，在渗透和压力驱动的水/离子分离测试中展现较好性能。CPF 膜的未来规模化生产可以通过使用米级单晶铜箔作为基底的连续卷对卷 CVD 技术来实现。此外，该方法将能够通过合理的单体设计制备具有所需表面电荷特性和通道尺寸的超薄 CPF 膜，为其他应用的进一步发展提供新的平台，包括离子筛分、渗透能量收集、单分子传感等。

原文详情：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.