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13
2026
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01
新加坡国立大学张岁Nature子刊！电控智能分离新突破：共轭微孔聚合物膜实现有机溶剂精准纳滤
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在化工与制药行业中，有机溶剂废物的处理是长期存在的严峻挑战，其分离与回收成本可占生产总费用的40%至80%。与传统分离工艺相比，膜基有机溶剂纳滤（OSN）作为一种环境友好且节能的替代方案展现出巨大潜力。然而，将成功应用于水相分离的电场调控策略（如唐南效应）拓展至有机溶剂体系面临根本性难题，主要源于有机溶剂中溶质解离度普遍较低，限制了电场对分离过程的增强作用。针对这一瓶颈，新加坡国立大学张岁教授与浙江大学刘平伟研究员合作，成功制备了一种导电且结构坚固的共轭微孔聚合物膜，并深入探索了其在电压调控下的有机溶剂纳滤性能，为高效的膜分离技术开发提供了新思路。
研究团队选取具有扩展π共轭骨架和永久性微孔特性的共轭微孔聚合物作为关键膜材料。他们以1,3,5-三(N-咔唑基)苯为单体，通过循环伏安法在碳纳米管/尼龙-66支撑层上电聚合生长出PTCB膜。表征结果显示，该膜表面形貌光滑、结构致密，厚度约为150纳米，并表现出优异的导电性（1.44 S cm⁻¹），使其能够作为电极用于电压控制的OSN过程。性能评估在死端过滤装置中进行，将导电PTCB膜作为工作电极。研究发现，施加外部电压会对溶剂通量和溶质截留率产生显著影响。具体而言，施加负电压会导致所有测试有机溶剂的通量持续下降，这归因于溶剂分子中带负电的原子（如氧原子）在负电势下受到的排斥作用。在溶质截留方面，电压调控效果尤为突出，并且表现出对溶质电荷属性的高度依赖性。例如，对于带正电的亚甲基蓝，在乙醇中施加正电压，其截留率可从13%大幅提升至80%，且该过程具有可逆性与可控性，关闭电压后截留率即回落。
该技术实现高效分离的核心机制被归结为“双屏障”模型。当对膜施加电压时，带电溶质在抵达膜表面前会经历两道静电屏障：第一道是本体溶液中电场驱动离子迁移的宏观过程，第二道是进料-膜界面处由膜基质电荷产生的类唐南平衡热力学排斥。研究进一步揭示，电压增强OSN效果的关键在于溶质在特定有机溶剂中的解离程度。通过理论计算与模拟，团队比较了不同染料在多种溶剂中的存在状态（如接触离子对和溶剂分离离子对）。结果表明，在甲醇、乙醇等极性溶剂中，染料解离度较高，电压增强效应显著；而在丙酮等解离能力较弱的溶剂中，效果则受限。该技术的实用性在混合染料分离及实际分子截留实验中得到了验证。对于分子量相近但电荷相反的染料混合物，通过施加合适电压可实现高效选择性分离。同时，对多种药物分子和农用化学品的测试表明，施加电压后其截留率均获得显著提升，凸显了该方法在复杂体系分离中的广阔应用前景。这项研究为原位、动态调控膜分离性能提供了一种新颖有效的策略。
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