论文DOI：10.1038/s41893-022-00870-3
天津大学姜忠义、潘福生团队与南开大学张振杰团队合作开展了仿生共价有机框架（COF）膜海水淡化研究。基于仿生粘合方法，通过一维COF纳米带粘合二维COF纳米片，制备出COF膜，其水通量高达267 kg m-2 h-1，同时该COF膜表现出优异的抗污染、抗结垢性能和长周期稳定性。该研究为设计制备高质量COF纳米片和高通量海水淡化膜开拓了一条新途径。
海水约占全球水资源的97%，海水淡化技术为淡水的可持续供应提供了有力保障。热-膜耦合技术，如渗透蒸发，将热法（第一代技术）和膜法（第二代技术）优势集成，表现出良好潜力。渗透蒸发多采用致密亲水膜材料，上游侧为液相，下游侧为气相，在脱盐过程中有望同时实现高性能和低能耗，且在处理高浓度盐水，利用低品位热源等方面具有显著优势。但目前渗透蒸发膜多存在通量低、抗污染能力弱等瓶颈问题。
共价有机框架（Covalent organic framework，COF）材料是以共价键连接形成的周期性晶态多孔聚合物，长程有序的纳米孔道提可供低传质阻力，丰富的化学官能团和牢固的框架结构可提供持久抗污染能力，从而为渗透蒸发脱盐技术提供了新发展契机。
（1）受沙塔蠕虫筑巢过程启发，提出了一种利用一维COF纳米带粘合二维COF纳米片制备COF膜的方法。
（2）制备的COF膜用于渗透蒸发脱盐，水通量可达267 kg m-2 h-1，约为传统高分子膜4-10倍，脱盐率达99.9%。
（3）COF膜表现出良好的抗污染能力和长期稳定性，且盐浓度适用范围广，展现出重要应用前景。
TpPa-SO3H纳米片具有典型的片状结构，横向尺寸约为1.5 μm；TpTTPA纳米带具有一维纳米带形貌，长度可达数微米，两类COF均具有清晰的晶格条纹，水分散液均表现出明显的丁达尔效应。将两类COF在水溶胶中共混可得超大COF纳米片，用于COF膜制备可消除膜内边界缺陷，形成稳定互锁结构。同时通过不同比例（纳米片：纳米带，S/R）的粘合，可出现三种粘合效果：过粘合，适粘合和欠粘合。
将预组装的超大COF纳米片通过真空辅助自组装沉积在基膜上，可得连续无缺陷、厚度适中的COF膜。但当TpPa-SO3H纳米片单独成膜时，膜表现出大量的缺陷和裸露的基膜表面。充分证明了仿生粘合策略在制备连续无缺陷COF膜中的关键作用。
其中，TpPa-SO3H@TpTTPA(20)膜具有优异的结晶度和一致的晶面取向，其一维孔道垂直于基膜，因此在膜内形成了贯通的传质通道。纳米片和纳米带间存在静电、范德华、π-π多重相互作用，驱动纳米片间错位堆积，产生遮蔽效应，膜孔尺寸可缩小至0.93 nm。
TpPa-SO3H@TpTTPA(20)膜表现出优异的脱盐性能，将膜用于处理3.5 wt% NaCl水溶液，50 oC下，水通量可达267 kg m-2 h-1，约为传统高分子膜4-10倍，脱盐率高达99.9%。同时，膜的性能受盐浓度影响小，处理0.1 wt%-7.5 wt% NaCl水溶液和多离子模拟海水体系均表现出很好性能。由于膜具有强抗污染能力，其长期稳定性超过108 h。本工作中TpPa-SO3H@TpTTPA(20)膜的脱盐性能与其他膜技术脱盐性能相比，展现出明显优势。
TpPa-SO3H@TpTTPA(20)膜超高水通量一方面来源于COF材料发达的孔隙，具有本征的超高渗透能力，另一方面来源于丰富的-SO3H基团可有效捕获水分子，在孔道内起到限域促进传递作用。
本工作聚焦于COF膜实现高效海水淡化。基于仿生粘合方法，通过一维COF纳米带粘合二维COF纳米片，赋予膜规整的孔道取向和稳定的互锁结构。所制备的COF膜用于渗透蒸发脱盐，水通量可达267 kg m-2 h-1，约为传统高分子膜4-10倍，脱盐率达99.9%。此外，COF膜表现出良好的抗污染能力和长期稳定性，且适用于不同盐浓度的盐水处理，表现出很好的应用前景。
本文为COF纳米片、COF膜制备探索了新方法，为COF膜用于海水淡化提供了技术与理论参考。同时，不同类型有机框架材料的相继涌现为高性能海水淡化膜的开发提供了广阔空间。
潘福生，天津大学化工学院研究员，天津大学“仿生与生物启发膜和膜过程”团队成员。2009年博士毕业于天津大学，2011年至今与天津大学化工学院从事教学科研工作。2015-2016年在美国佐治亚理工学院进行访问交流。研究方向包括：（1）有机框架膜和膜过程；（2）体外膜肺氧合器（ECMO)氧合膜；（3）锂离子电池隔膜等。在Nature Sustainability、Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、Energy Storage Materials、Journal of Membrane Science等期刊发表SCI论文110篇，SCI他引2000余次。荣获2019年度中国化工学会科学技术奖基础研究成果奖一等奖，2021年度中国石油和化学工业联合会创新团队奖。
张振杰于2006年和2009年在南开大学化学学院获本科和硕士学位（导师：程鹏教授），2014年获美国南佛罗里达大学化学博士学位（导师：Michael J. Zaworotko教授），2014-2016年在美国加州大学圣地亚哥分校从事博士后研究（导师：Seth M. Cohen教授），2016年7月加入南开大学任研究员，博士生导师。共发表论文104篇，近五年以通讯作者发表论文42篇（影响因子10以上论文27篇），包括Nat. Sustain.（1篇）Angew. Chem. Int. Ed.（12篇）、J. Am. Chem. Soc.（4篇）、Nat. Commun.（2篇）、ACS Cent. Sci.（2篇）、ACS Catal.（2篇）、CCS Chem.（1篇）、Chem. Soc. Rev.（1篇）、J.Mater. Chem. A（2篇）等；获批或申请中国发明专利26件，美国专利2件。形成了富有特色的“晶态智能聚合物”“晶态多孔分离介质”研究方向，研究成果受到国内外学者的关注和认可，被知名科学媒体和国际期刊多次评述报道。获中国化学会首届菁青化学新锐奖、美国化学会DIC Young Investigator Award、国家优秀自费留学生奖等，并担任美国化学会Crystal Growth&Design杂志编委、Chinese Chemical Letters青年编委。
姜忠义，天津大学化工学院教授。教育部长江学者，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，英国皇家化学会会士。科技部重点领域创新团队负责人。国家重点研发项目首席科学家。长期从事膜和膜过程、酶催化研究。负责承担了国家重点研发计划项目，国家863重大项目课题，国家自然科学基金重大项目课题，中石油、中石化、中海油委托项目等科研项目。发表SCI论文600余篇，论文被SCI他引25000余次，H因子88。作为第一完成人获省部级科技奖一等奖四项。任Advanced Membranes副主编，Journal of Membrane Science、Research、Green Chemical Engineering、Macromolecules等期刊编委。入选2021年全球顶尖前10万科学家榜单。连续入选中国高被引学者（化学工程）榜单，全球高被引学者（化学工程）榜单。
https://www.nature.com/articles/s41893-022-00870-3
本文来源研之成理，仅供科研分享，不做盈利使用，如有侵权，请联系后台小编删除
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系翟女士：18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
