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20
2026
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09
Adv. Sci.: 氮杂原子协同调控COF成膜动力学与纳米通道，实现脱盐
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背景
COF具有规则、可设计的纳米孔道，为突破传统聚合物膜孔径分布无序、结构难以*调控等问题提供了新的材料平台。尤其是界面聚合能够在温和条件下直接构筑大面积超薄COF选择层，具有良好的规模化潜力，但这一方法的优势——快速单体扩散和快速界面反应——同时也是获得高质量COF膜的主要障碍。随机单体扩散与过快聚合容易使新生成的聚合物链迅速陷入非平衡结构，来不及通过可逆反应进行重排和缺陷修复，最终形成低结晶度、孔道无序甚至存在非选择性缺陷的选择层。已有研究通常通过离子液体、酸、表面活性剂或竞争反应物等外部调节剂控制扩散和反应动力学，虽然能够提高结构有序性，却也增加了体系复杂度，并可能引入非晶区域。因此，一个更直接的问题是：能否不依赖额外调节剂，而是从单体分子结构本身同时调控扩散与反应，使界面聚合天然进入有利于COF有序生长的动力学窗口？
创新
近日，郑州大学朱军勇、张亚涛教授团队联合东南大学汪勇教授提出“杂原子前驱体工程”策略，通过在二酰肼单体芳环中逐步引入吸电子N原子，直接改变单体的电子结构和亲水性。氮取代降低芳环电子密度，使单体反应活性逐步下降；与此同时，增强的亲水性降低单体的油–水分配系数，减缓其跨界面传输。由此，无需额外动力学调节剂，仅依靠单体自身结构便同时实现“扩散降速+反应降速”，为新生成的COF链提供更充分的重排和自修复时间，促进其从动力学无序结构向长程有序网络演化，最终形成孔宽约0.40–0.68 nm的高结晶超微孔COF膜。更重要的是，引入的N原子在完成“成膜动力学调控”后仍继续参与分离：富氮纳米通道通过静电作用和氢键相互作用提高离子跨膜能垒，同时强化通道内有序水氢键网络、促进水分子迁移。优化的Tp-PDHz膜由此实现98.0%的LiCl截留率和97.5%的NaCl截留率，同时保持1.2 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹的水渗透率。
意义
这项工作的价值不仅在于获得了一种高截盐COF膜，更在于让同一种杂原子设计同时贯穿了“膜怎么形成”和“分子怎么传输”两个阶段。传统COF界面聚合往往把合成动力学和最终孔道化学作为两个相对独立的问题：前者依靠外部添加剂调节，后者再通过官能团设计优化。而这里的芳环N取代首先在合成阶段调节单体的分配行为和化学反应性，通过“扩散–反应协同减速→链段自修复→高结晶超微孔形成”改善膜结构；成膜完成后，这些N位点又转化为纳米通道中的功能单元，通过“水氢键网络强化→水传输加速+离子迁移能垒升高”进一步放大水/盐传输差异。 因此，这项工作将COF膜设计从“外部调节界面聚合”进一步推进到“通过前驱体分子结构内禀编程成膜与传输”，为同时优化COF膜的结晶过程、孔道结构和分离微环境提供了一条更加简洁的分子工程路径。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/5pWhpLrQ_olKT6ecM9Pn4Q
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