近日，我院張亞雷教授團隊在《Nature Communications》發(fā)表題為“Nanofiller-confined spatial fluctuation in monomer diffusion synthesizing ultrafast reverse osmosis membranes driven by hydrogen-bonding networks”的研究論文。該研究揭示了通過調(diào)控單體空間擴散來控制聚酰胺（PA）層結(jié)構(gòu)與表面拓撲形貌的新機制，為精確控制界面聚合（IP）過程、突破反滲透（RO）膜性能瓶頸提供了新的見解和途徑。
薄膜復(fù)合膜是解決全球水資源短缺、實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵技術(shù)之一，但其水滲透性與選擇性之間長期存在著“trade-off”效應(yīng)，這嚴重制約了RO技術(shù)的能效與規(guī)模化應(yīng)用。本研究提出了一種全新的調(diào)控機制，通過在IP過程中引入木質(zhì)素磺酸鈉改性層狀雙氫氧化物（LDH-SL）復(fù)合納米填料，實現(xiàn)了對單體擴散的“空間波動”調(diào)控。
圖1.LDH-SL納米填料在PA層生長中的機制
研究團隊結(jié)合分子動力學(xué)模擬和實驗驗證發(fā)現(xiàn)LDH-SL納米填料展現(xiàn)出關(guān)鍵的雙重作用：其在“水-有機”界面富集，形成自由能局部最小值，從而促進單體的跨界面擴散；同時，其在有機體相中分散，通過空間位阻效應(yīng)抑制單體的傳質(zhì)。這種在界面促進、在體相抑制的“空間波動”調(diào)控機制，誘發(fā)了非均相的聚合反應(yīng)動力學(xué)，最終形成了超薄且高度褶皺的PA層。得益于此獨特結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的RO膜表現(xiàn)出卓越的分離性能：水滲透性高達4.00 LMH·bar-1，同時保持99.4%的NaCl截留率，成功突破了“trade-off”上限。
進一步的機理探究表明，LDH-SL納米填料所引入的磺酸基（-SO3-）與水分子可構(gòu)筑強大的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而顯著強化了水分子的跨膜傳輸速率。
圖2.LDH-SL納米填料在水傳輸中的機制研究
我院2023級博士生林若昀和趙祺鵬研究員為論文的共同第一作者，我院褚華強教授、阿卜杜拉國王科技大學(xué)Xu Jiang博士、哈爾濱工業(yè)大學(xué)邵路教授和我院張亞雷教授為共同通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金等項目資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64959-x
