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04
2026
-
03
Nat. Commun: 氢键强化超微孔，COF膜突破低压反渗透海水淡化瓶颈
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一、背景：COF膜为何难以真正用于海水淡化？
在全球淡水资源日益紧张的背景下，反渗透（RO）已成为主流海水淡化技术。然而，传统聚酰胺膜受限于无序结构和孔径分布不均，难以突破“通量–选择性”权衡。共价有机框架（COF）材料因其有序孔道、可调结构与高孔隙率，被视为下一代分离膜的理想候选。但现实中，大多数COF膜存在两大瓶颈：孔径偏大（0.8–5 nm），远超水合单价离子尺寸（约6.5–8 Å），难以有效截留NaCl；结晶度不足、堆积无序，导致孔道不均一、缺陷多，削弱分离性能。因此，实现超微孔构筑与高结晶度协同提升，成为COF膜用于海水淡化的关键科学难题。
二、创新：氢键强化驱动AB堆积与超微孔构筑
近日，郑州大学朱军勇、张亚涛教授团队提出了一种氢键强化策略，通过**调控分子内与层间氢键网络，实现COF孔结构与堆积模式的协同优化。核心设计思路包括：
以含酚羟基的Tp单体替代TFB；
与Bth单体反应形成稳定的β-酮烯胺结构；
构建高密度层内与层间氢键网络。
这一策略带来三重关键效应：
增强层内氢键约束
限制分子旋转，减少合成缺陷，提高结晶度。
诱导AA→AB堆积转变
由原本氢键不足的AA堆积，转变为更有序的AB堆积结构，形成排列更规整的超微孔通道。
缩小有效孔径
**调控孔结构，使其接近水合单价离子筛分尺度，实现真正意义上的海水脱盐。
最终构筑的Tp-Bth COF膜在15 bar低压条件下实现：
99.6% NaCl截留率
1.7 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹水渗透率
达到高性能低压RO淡化水平。同时，该膜在pH 3酸性环境下浸泡30天后仍保持性能稳定，展现优异的结构稳定性。
三、意义：为COF膜海水淡化奠定结构设计新范式
本工作在COF膜领域具有重要突破意义：
1. 打破“大孔难脱盐”认知局限
通过氢键网络调控堆积模式，实现真正可用于单价盐脱除的超微孔COF膜。
2. 解决“结晶度–稳定性”矛盾
β-酮烯胺结构兼具高结晶性与高化学稳定性，有效避免性能衰减问题。
3. 提供可推广的分子级设计策略
通过调控氢键密度与堆积方式，可拓展至其他COF体系，实现孔径**调控。
4. 推动低压**RO发展
在较低操作压力下实现工业级截盐率，有助于降低海水淡化能耗。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Jby3uXYqDP7h2buvWc9boQ
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