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2026

Nature Communications｜自组装溶致液晶中间层调控界面聚合用于调节纳滤膜的结构与性能

作者：

英文题目：

Self-assembled lyotropic liquid crystal interlayer regulated interfacial polymerization for modulating structure and performance of nanofiltration membranes

自组装溶致液晶中间层调控界面聚合用于调节纳滤膜的结构与性能

期刊信息： Nature Communications

发表时间：2026年1月7日在线发表，

DOI: 10.1038/s41467-025-68116-2

摘要内容：

纳滤（NF）是一种关键的膜分离技术，在化工与环境领域应用前景广阔。开发具有高盐选择性和抗污染性的高性能薄层复合（TFC）纳滤膜，需要有效策略来优化其制造工艺——界面聚合（IP）。本研究展示了一种通过整合溶致液晶（LLCs）来精细调控IP过程的有效策略：LLC分子在基材表面自组装成六方柱状相中间层，形成高度有序的结构。在LLC涂覆的基材上进行IP反应，可生成具有特征性管状结构且内部含纳米空腔的聚酰胺活性层。与传统TFC膜相比，LLC调控的TFC膜水渗透性翻倍，同时保持可比的Na₂SO₄截留率，从而实现了显著增强的水/盐选择性。此外，这些膜还表现出高离子/离子选择性（如Na⁺/Ca²⁺和Li⁺/Mg²⁺）以及增强的抗污染性。对界面结构与机制的深入探索揭示了LLC中间层在影响二胺单体（哌嗪）扩散过程中的关键作用，从而形成了具有独特管状结构和优异分离性能的聚酰胺层。

研究背景和意义：

纳滤膜技术的前沿发展高度依赖于薄层复合（TFC）膜的制备，但长期以来面临两大瓶颈：一是“选择性-渗透性”权衡难题，即水通量的提升往往伴随盐通量增加、膜选择性下降；二是膜表面污染物的累积会显著增加运行成本并缩短膜寿命。近年来，研究者尝试在基材上沉积纳米管、纳米链、石墨烯或金属有机框架等纳米材料作为中间层，再经界面聚合制备聚酰胺层，以期调控膜的物理化学性质来提升性能。然而，这些策略多依赖无控制的自由沉积过程，形成的中间层往往无序且不可调控，导致中间层结构与最终聚酰胺形貌之间的关系尚不清楚，其调控IP反应的机制也缺乏系统阐明。本研究创新性地提出利用溶致液晶（LLCs）自组装构建高度有序的六方柱状相中间层，不仅解决了传统纳米材料中间层结构无序、不可调的问题，还通过精细调控单体扩散行为，实现了对聚酰胺层微观结构的设计，为突破纳滤膜性能瓶颈提供了新思路。

实验步骤：

首先合成可聚合的两亲性表面活性剂MA11-6-11MA：通过11-溴-1-十一醇与甲基丙烯酰氯的酯化反应引入甲基丙烯酸酯基团，再经季铵化反应键合带正电的季铵盐，产物经¹H NMR验证，产率约60%。随后制备LLC中间层：将MA11-6-11MA（70 wt%）与水（30 wt%）混合形成六方柱状相（H1-LLC），再将其按不同质量比（2%、20%、50%、100%）分散于乙醇中，均匀涂覆于聚砜（PSf）支撑层表面，在氮气氛围下以200 rpm摇荡2分钟使乙醇完全挥发，随后用365 nm紫外光照射60秒引发LLC单体交联聚合，形成各向异性固体LLC薄膜。最后进行界面聚合：将LLC涂覆的基材浸入1 wt%哌嗪（PIP）水溶液中3分钟，用空气刀去除表面多余溶液，再浸入0.15 wt%均苯三甲酰氯（TMC）正己烷溶液中引发缩聚反应，形成交联聚哌嗪酰胺活性层；膜经正己烷洗涤后，在65°C去离子水中固化10分钟，储存于4°C去离子水中备用。为优化性能，还考察了0.5 wt% PIP与0.1 wt% TMC的替代浓度组合。

主要结果和结论：

随着LLC浓度增加，聚酰胺表面形貌从光滑（TFN₀%LLC）演变为月牙形突起（TFN₂%LLC），最终形成特征性Y形管状结构（TFN₂₀%LLC），膜厚度从250 nm增至382 nm，表面粗糙度显著提高。XPS分析表明，LLC中间层使聚酰胺交联度从40.4%提升至70.0%，羧基密度从16.6 sites/nm²降至12.8 sites/nm²，网络结构更加完整。性能测试显示，TFN₂₀%LLC膜水通量达22.2 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，是空白对照膜（12.3）的近两倍，而Na₂SO₄截留率保持98.2%（对照99.1%），在渗透性-选择性权衡图上优于众多文献报道的膜。离子选择性方面，Na⁺/Ca²⁺选择性从0.96提升至5.8，Li⁺/Mg²⁺从0.98提升至11.4。抗污染测试中，以藻酸钠（含CaCl₂）为模型污染物运行12小时，TFN₂₀%LLC膜通量下降仅约23%，远低于对照膜的60%以上，且物理清洗后通量恢复率超过90%。SAXS表征证实，LLC中间层在IP反应过程中最终被完全去除，不残留于最终膜中。

详细机理：

LLC中间层在PSf表面平行排列形成六方柱状相（d间距3.4 nm，自由体积直径约1 nm），其带正电的季铵盐亲水头基暴露于表面，使基材表面由疏水转为亲水（水接触角从78°降至40°），同时对有机相表现出更强的疏油性（水下正己烷接触角从63°增至122°）。在IP过程中，PIP分子渗透多孔PSf后进入LLC的均一纳米通道，LLC中间层通过“双重阻碍”机制显著抑制PIP向有机相界面的垂直扩散：一是物理限域效应，纳米通道对PIP分子产生空间阻碍；二是静电减弱效应，带正电的LLC层使基材Zeta电位从负值升至近中性，削弱了对带正电PIP分子的静电吸引。分子动力学模拟进一步证实，PIP在含LLC环境中的扩散系数从2.50×10⁻⁹ m²/s降至1.81×10⁻⁹ m²/s。与此同时，增强的界面亲水性促进了PIP在反应界面上的横向（面内）扩散，这种各向异性扩散行为导致单体在局部区域富集，进而促使聚酰胺形成独特的Y形管状纳米结构。该管状结构增大了有效过滤面积，同时更高的交联度和更低的表面羧基密度减少了Ca²⁺介导的桥联污染效应，且表面微米级突起可诱导界面湍流、破坏污染物沉积，从而协同实现了水通量、离子选择性与抗污染性能的同步提升。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Sj1ByfjzI9ISTvGiSCmmFQ