近乎100%去除、500 h不衰减！可量产催化纳滤膜登上Nature Water

邃瞳科学云

2025-09-10

导读：本研究首次在纳滤膜中实现了“过滤+催化”双重功能的深度耦合，成功突破了传统膜难以去除小分子污染物的瓶颈。其单原子催化策略与分子限域效应，不仅显著提升了污染物去除效率，还确保了长期稳定性和环境友好性。

背景介绍

水资源短缺已成为全球最严峻的挑战之一，它不仅威胁公共健康，还直接关系到粮食安全和社会经济发展。纳滤（NF）与反渗透（RO）技术虽然已在海水淡化、污水回用等领域得到广泛应用，但却存在一个“卡脖子”难题：难以有效去除那些体积极小、无电荷的有机污染物。例如，饮用水消毒过程常见的副产物——N-亚硝基二甲胺（NDMA，强致癌物），以及工业溶剂1,4-二氧六环（1,4-D），在现有NF/RO膜中的去除率不足50%，严重制约了安全饮用水的保障能力。这一难题的破解，成为膜科学领域的重大挑战。

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中国科学技术大学王允坤教授联合莱斯大学Menachem Elimelech院士共同报道了一种全新设计的催化纳滤膜。这一“仿生”膜材料不仅能像传统NF膜一样筛除盐分和大分子，更能在膜内触发高级氧化反应，将小分子有机污染物彻底分解。其去除效率接近100%，并在连续运行500小时后依旧保持稳定。同时，研究团队还通过卷对卷工艺将这一技术放大到工业生产规模，验证了其在实际应用中的可行性。这一突破性成果为饮用水安全与环境治理提供了全新解决方案。相关成果以“Scalable catalytic nanofiltration membranes for advanced water treatment”为题发表在《Nature Water》上，第一作者为张浩，Yanghua Duan为共同一作。

图文解析

从自然启发的分子设计

作者的灵感来自一种天然存在的富含半胱氨酸的金属结合蛋白。这些蛋白能通过巯基与重金属离子牢固结合，完成解毒功能。团队借鉴这一机制，在膜的制备过程中引入半胱氨酸分子，让其氨基和巯基同时参与聚酰胺层的交联反应，从而形成稳定的“锚点”。在这些位点上，金属离子（如Co²⁺）被牢牢固定，并在还原剂作用下转化为单原子催化剂。这种单原子催化剂均匀分布在纳米尺度的选择层中（图1a、1b），不会像传统催化剂那样团聚成颗粒而失效。电子显微镜和光谱学分析证实，钴原子以孤立形式存在，并与氮、硫原子牢固配位（图1e–1g）。这种高度分散的结构既保证了高催化活性，又避免了金属流失带来的二次污染。

图1：催化NF膜的合成和表征

催化氧化污染物的去除

在实际水处理中，NDMA与1,4-D是最具代表性的难除污染物。研究人员将新型催化NF膜与市售NF/RO膜进行对比（图2a），结果显示：传统膜对1,4-D和NDMA的去除率普遍低于60%，而催化膜在过硫酸氢钾（PMS）存在下，去除效率高达98.8%（图2b）。更令人惊喜的是，这一高效表现并不仅限于1,4-D。无论是常见的药物残留（如对乙酰氨基酚）、抗生素（磺胺甲噁唑）、农药（阿特拉津），还是塑料添加剂（双酚A），催化NF膜几乎都能实现近乎完全去除（图2e）。长时间稳定性也是实际应用的关键。连续运行500小时后，催化膜依然保持接近100%的去除率和盐截留率（图2f）。相比之下，普通NF膜不仅去除效率有限，还容易因污染而衰减。而催化膜在二级污水出水中依旧保持优异的抗污染性能（图2g），表现出极强的应用潜力。

图2：去除中性低分子量污染物

三大机理揭示“超能力”来源

在常规膜过滤中，溶质在膜表面积聚会导致“浓差极化”，往往被视为负面效应。但在这款催化纳滤膜中，研究团队巧妙地“化弊为利”：氧化剂PMS在膜表面被富集到原浓度的近7倍（图3a、3b），显著加快了反应速率，使催化过程更加高效。与此同时，膜的超小孔径（仅0.27 nm）犹如分子级别的“纳米反应器”，让催化反应几乎没有能垒（图3c、3d），在限域环境下自由能降低近一倍（图3e），从而实现对污染物更彻底的分解。此外，这种膜还能“聪明地选择”：它会高效阻挡天然有机物（NOM），避免这些物质消耗活性物种，而让目标污染物顺利进入膜孔完成降解（图3f、3g）。因此，即便在湖水、河水或生活污水等复杂环境中，它依旧能保持90%以上的去除率（图3h），展现出优异的稳定性和适应性。

图3：机理分析

从实验室走向工业化

科研成果能否真正落地，关键在于规模化生产与模块化应用。研究团队成功采用卷对卷工艺，制备了长达30米的膜卷（图4a、4b）。这一工艺与现有商业生产线兼容，意味着无需额外改造即可实现推广。在应用测试中，研究人员将催化膜组装成螺旋卷式膜元件与盘管式膜元件（图4c、4d）。结果显示：在自来水测试中，螺旋卷式催化膜对1,4-D的去除率高达98.6%，远超普通NF膜的43.8%（图4e）。在工业常用的盘管式配置中，催化膜依旧能去除97%以上的1,4-D和95%以上的总有机碳（TOC）。这标志着该技术不仅在实验室可行，更能无缝对接现有工业体系。

图4：对膜模块及其性能进行升级

总结与展望

本研究首次在纳滤膜中实现了“过滤+催化”双重功能的深度耦合，成功突破了传统膜难以去除小分子污染物的瓶颈。其单原子催化策略与分子限域效应，不仅显著提升了污染物去除效率，还确保了长期稳定性和环境友好性。更重要的是，研究团队已验证了其规模化生产与模块化应用的可行性，为饮用水净化和污水资源化利用提供了新一代解决方案。未来，随着工艺参数的进一步优化，这种催化纳滤膜有望在全球水处理行业广泛落地，帮助人类更好地应对水资源危机。

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