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2026

Nature Communications｜通过同源匹配策略克服反渗透膜的渗透性-选择性权衡效应

作者：

英文题目

Overcoming the trade-off in reverse osmosis membranes through homologous matching

通过同源匹配策略克服反渗透膜的渗透性-选择性权衡效应

期刊信息

期刊名称：Nature Communications

发表日期：2026年1月23日

DOI号：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69044-5

摘要内容

本研究开发了一种同源匹配策略，通过将间苯二胺（MPD）衍生的碳点（M-CDs）引入三醋酸纤维素（CTA）与聚酰胺（PA）的界面聚合过程，成功克服了反渗透膜中固有的渗透性-选择性权衡效应。系统表征和分子动力学模拟表明，M-CDs与MPD单体结构同源，能够促进单体扩散、调控交联密度并优化PA层微观结构。在**M-CDs浓度下，所得膜同时实现了盐截留率（99.1% vs. 96.5%）和水通量（18.3 vs. 15.2 L·m⁻²·h⁻¹）的同步提升，超越了传统CTA膜的性能。后退火结构分析证实，M-CDs的引入形成了更薄、更致密且更亲水的阻隔层，孔径减小且分布变窄。此外，M-CDs与MPD之间的氢键作用提高了膜的耐氯性，即使在暴露于2000 ppm NaClO溶液后仍能保持高性能。分子动力学模拟进一步阐明，M-CDs促进水簇传输同时阻碍离子渗透，从而有效缓解了权衡效应。这项工作为开发生物基先进海水淡化技术提供了新思路。

研究背景和意义

全球人口增长和水污染加剧导致清洁水供需失衡，而地球97%的水为咸水无法直接使用，海水和苦咸水淡化成为缓解淡水短缺的关键途径。膜基淡化技术目前占全球饮用水生产的53%，其中反渗透（RO）技术因高选择性、优异净化性能和操作简便而备受青睐。三醋酸纤维素（CTA）作为生物基材料，具有丰富来源、可生物降解和环境友好等优势，是制备RO膜的理想材料。然而，CTA基RO膜面临三大核心挑战：（1）固有的渗透性-选择性权衡效应——提高水通量往往导致盐截留率下降；（2）耐氯性差——活性氯会降解聚酰胺层；（3）易压实——长期运行中结构稳定性不足。这些瓶颈严重限制了CTA膜的实际应用。

近年来，纳米技术为克服这些限制提供了新途径。MXenes、金属有机框架（MOFs）、石墨相氮化碳、介孔中空纳米球等纳米材料已被用于优化膜结构和性能。碳点（CDs）作为零维碳纳米材料（尺寸<10 nm），因其可调控的表面官能团、优异分散性和生物相容性，在纳滤、反渗透和超滤膜中展现出应用潜力。研究表明，将CDs嵌入PA层可降低传输阻力、缓解浓差*化、提高脱盐效率和渗透性。然而，现有CDs增强膜仍面临权衡效应、界面粘附力弱和长期稳定性不足等挑战，且纳米材料的团聚、尺寸不稳定性和与复合材料的相容性差等问题常导致膜孔堵塞或厚度增加，反而降低性能。

本研究解决的问题和创新点：本研究创新性地提出"同源匹配"策略，利用与MPD单体结构同源的M-CDs作为纳米插层剂，通过原位界面聚合在CTA表面构建高性能复合RO膜。核心创新在于：（1）结构匹配设计——M-CDs与MPD具有相同的间位二胺结构，确保在界面处无缝整合；（2）双重功能机制——M-CDs既作为反应调节剂调控PA层交联密度和微观结构，又作为界面桥梁增强CTA与PA的相容性；（3）同步性能提升——**在CTA基RO膜中实现水通量和盐截留率的同时提高，有效打破权衡效应；（4）生物基可持续路线——以桉木粉末和苯二胺为双碳源制备CDs，符合绿色化学理念。

实验步骤

碳点（CDs）制备：首先将桉木片在烘箱中干燥24小时，经粉碎机破碎并过筛得到300目桉木粉末。分别取3 g不同碳源（邻苯二胺OPD、间苯二胺MPD、对苯二胺PPD）置于反应釜内衬中，加入50 mL去离子水，再加入0.3 g桉木粉末作为另一碳源。充分搅拌1小时后，将混合物置于高压反应釜中180°C反应24小时，得到棕褐色固液混合物。将混合物经0.22 μm纤维素滤膜过滤去除大分子颗粒，随后进行高速离心进一步澄清，最后通过旋转透析去除小分子前驱体，得到纯化的碳点，分别标记为O-CDs、M-CDs和P-CDs。

CTA-RO基膜制备：采用非溶剂诱导相分离（NIPS）法组装CTA-RO膜。将三醋酸纤维素溶解于适当溶剂中形成铸膜液，在玻璃板上刮涂成薄膜后，浸入凝固浴中发生相分离，形成多孔支撑层。

CTA/CDs/PA复合膜界面层组装：首先将CTA-RO基膜浸入含0.1 wt% CDs的2 wt% OPD/MPD/PPD水溶液中5分钟，随后空气暴露3分钟以去除过量单体溶液。经85°C水浴热处理10分钟后，将处理过的CTA-RO基膜表面浸入含0.15 wt%均苯三甲酰氯（TMC）的正己烷溶液中2分钟，确保与表面的OPD/MPD/PPD水溶液发生界面聚合反应，然后去除过量TMC溶液。为探究不同水相单体的影响，制备的CTA/PA膜分别标记为O-CTA、M-CTA、P-CTA。为改性PA层，将合成的O-CDs、M-CDs和P-CDs分别以0.1 wt%浓度加入OPD、MPD和PPD水溶液中，按上述相同工艺制备系列复合膜，标记为O-CDs-0.1、M-CDs-0.1和P-CDs-0.1。进一步考察CDs浓度影响，分别制备含0.05 wt%、0.1 wt%、0.15 wt% M-CDs的膜，标记为M-CDs-0.05、M-CDs-0.1、M-CDs-0.15。

主要结果和结论

实验结果表明，M-CDs-0.1膜展现出**的综合性能：水通量达18.3 L·m⁻²·h⁻¹，较M-CTA膜（15.2 L·m⁻²·h⁻¹）提升20.4%；盐截留率高达99.1%，显著优于M-CTA膜的96.5%，成功克服了传统权衡效应。SEM和AFM表征显示，M-CDs的引入使膜表面形成更致密、更均匀的褶皱状PA层，表面粗糙度从3.18 nm增至10.5 nm，接触角从68.2°降至42.1°，亲水性显著增强。截面SEM证实M-CDs-0.1具有更薄的选择层（约178 nm）和更明显的折叠形貌，有利于缩短水传输路径。长期稳定性测试显示，M-CDs-0.1膜在2 MPa压力下连续运行700分钟，通量和截留率保持稳定。耐氯性测试表明，经2000 ppm NaClO溶液处理2小时后，M-CDs-0.1膜通量仅增加16%，盐截留率几乎不变；而M-CTA膜通量增加20%，截留率显著下降至原值的95%。XPS分析显示M-CDs-0.1膜表面氧含量（34.52%）和C=O含量（61.14%）显著提高，Zeta电位更负（-78.55 mV vs. -67.43 mV），增强了静电排斥作用。对比实验证实，同源匹配的M-CDs效果优于非同源的O-CDs和P-CDs，凸显了结构匹配的重要性。

详细机理

M-CDs的增强机制可从三个层面深入理解。界面聚合调控机制：M-CDs与MPD的结构相似性（间位二胺结构）使其能够有效渗透至CTA-RO膜界面孔隙，并与TMC有机单体反应形成M-CDs纳米聚集体。分子动力学模拟显示，M-CDs通过氢键作用吸附MPD分子（每个M-CDs周围聚集约47.86个MPD分子，远高于普通CDs的26.53个），形成"MPD储备库"，延缓单体向界面扩散的速率，降低交联反应速率（从100%降至约80%），使PA层形成更致密、更均匀的交联网络。后退火处理后，膜平均孔径降至3.12 Å，孔径分布半高宽（FWHM）**，实现**的分子筛分。水传输与盐排斥机制：M-CDs的引入使膜形成独特的"致密-多孔"双层结构——靠近水相侧因M-CDs与TMC交联形成致密层增强盐截留，靠近CTA侧形成多孔层降低传输阻力。水含量从19.02%提升，水-水配位数增加而Na⁺-水配位数降低，表明水以簇状形式快速传输而离子需部分脱水才能进入膜通道，能垒显著提高。界面稳定性与耐氯机制：M-CDs作为"分子桥梁"，其表面羟基与CTA的羟基形成强氢键（相互作用能**），其氨基和羧基与PA的酰胺键形成致密氢键网络，显著增强界面粘附力。这种强氢键网络阻碍了活性氯原子对PA层酰胺键的取代反应；同时，M-CDs表面的高负电荷通过静电排斥阻挡Cl⁻接近PA层；此外，M-CDs中的氨基作为"牺牲基团"优先与活性氯反应，保护PA网络免受降解，多重协同作用赋予膜优异的长期稳定性和耐氯性。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/odcg2_8Epj19FZ_sBsLH1Q