英文原题：Locking Patterned Carbon Nanotube Cages by Nanofibrous Mats to Construct Cucurbituril[n]-Based Ultrapermselective Dye/Salt Separation Membranes
通讯作者：孙世鹏，南京工业大学；邢卫红，南京工业大学
作者：Liu-Lin Zhao (赵留林), Xue-Li Cao (曹雪丽), Cong Luo (罗聪), Qian Wang (王乾), Tian-Dan Lu (陆天丹), Ming-Jian Tang (唐铭健), Shi-Peng Sun (孙世鹏), Weihong Xing (邢卫红)
背景介绍
纳滤膜具有亚纳米尺度的分离精度，在化工、制药等行业的废水处理和资源回收中得到了广泛的应用。然而，纳滤膜的渗透性和选择性之间的权衡效应一直是阻碍其扩展应用的瓶颈。研究者聚焦表面图案化策略，赋予了纳滤膜低传质阻力、高表面积、高润湿性等，实现了对纳滤膜的结构和性能的精准调控，获得了优秀的渗透选择性。然而，目前的图案化主要基于自上而下的构筑方法，结构调控局限在纳滤膜选择层，调控尺度被限制在纳米级，膜性能的提升也相应地被限制。因此，本工作旨在设计高维度表面图案化策略，以突破图案化尺度，大幅提升膜渗透选择性，实现染料与盐的快速分离。
文章亮点
本论文的研究团队建立了纳米纤维基底锁定策略，构筑了图案化的笼状碳纳米管中间层，强化了葫芦脲基纳滤膜的制备，实现了染料脱盐的超高选择性，研究者借助真空负压将超声分散的笼状碳纳米管（carbon nanotube cages, CNCs）组装在聚酰亚胺（polyimide, PI）纳米纤维膜表面，通过碳纳米管与纳米纤维之间的穿插缠绕将CNCs层锁定在纳米纤维基底上，实现了基底表面的无缺陷CNCs图案化。在界面聚合过程中，利用CNCs内的强毛细管力使水溶液快速渗透铺展，并提供反重力定向运输，将包含哌嗪（piperazine, PIP）和葫芦脲6（cucurbit[6]uril, CB6）的水溶液预加载至CNCs表面，与油相形成稳定的水-油相界面，构筑了紧贴CNCs形成的无缺陷图案化PA-CB选择层。通过电子显微镜和原子力显微镜清晰观察到高维度的CNCs在纳滤膜表面成功组装和图案化（图1）。
图1. CNCs图案化纳滤膜的制备与表征
CB6的主客体化学强化界面聚合过程，降低了选择层的厚度与交联度，构筑了超薄的选择层（厚度~20nm）；同时，高维的图案化增加了复合膜40.2%的有效渗透面积，导致膜纯水渗透性提高了一个数量级，高达124.9 L·m-2 h-1 bar-1。选择性测试证实该图案化纳滤膜可高效截留分子量大于400g mol-1的染料分子，透过分子量小于350g mol-1的染料分子和无机盐，可实现相似混合染料以及染料与盐的高效分离，表明该膜在纺织或印染行业的染料脱盐和浓缩工艺流程中的应用前景（图2）。
图2. 基于主客体化学作用的PA-CB选择层构筑和复合膜选择渗透性研究
总结/展望
研究团队通过自下而上的图案化策略在纳米纤维基底上构筑了高维度的图案化CNCs层和超薄的PA-CB选择层。基于CNCs内大量且狭窄的纳米通道的强大毛细管力和CB6改性选择层的高孔隙率、短传质路径的协同效用，实现了一个数量级的纳滤膜渗透性能提升，克服了传统纳滤膜的渗透性-选择性权衡效应。这项工作所提出的高维图案化策略为膜结构的精准调控提供了技术和理论指导，并有望拓展至印染、制药、化工等物料分离和水处理应用。
相关论文发表在Nano Letters上，南京工业大学膜科学技术研究所硕士研究生赵留林和曹雪丽副教授为文章的第一作者，孙世鹏教授和邢卫红教授为通讯作者。
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Nano Lett. 2023, ASAP
Publication Date: May 8, 2023
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c05105
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