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2026

AIChE｜分子封装介导的梯度催化界面聚合用于相似离子纳滤

作者：

英文题目：

Molecular encapsulation-mediated gradient catalytic interfacial polymerization for similar ions nanofiltration

分子封装介导的梯度催化界面聚合用于相似离子纳滤

期刊信息： AIChE Journal

发表时间：2026年8月10日接收发表

DOI: 10.1002/aic.70607

摘要内容：

超选择性离子-离子分离具有重要意义，但在技术上*具挑战性。利用纳滤实现相似离子的*分离需要构建结构明确的溶质传输通道和可控的膜结构。本研究提出了一种开创性的分子封装介导的梯度催化界面聚合策略，以同步控制单体扩散和聚合反应。纳米胶囊在HCl催化下有序解体并释放反应性单体参与界面聚合。该创新策略增强了单体扩散的均匀性，并使聚合反应分阶段进行，从而形成具有更有序纳米结构和更均匀离子传输的通道。该膜表现出亚埃级精度的尺寸依赖性离子筛分，显示出高渗透性（17.9 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹）和*的分离效率（对Ac⁻截留率>95%，对Cl⁻截留率约10%）。该创新方法可能为制造用于*分子筛分的高度均匀聚酰胺膜提供范式转变。

研究背景和意义：

*快速的离子选择性分离在环境、能源和资源相关领域至关重要，纳滤膜因其成本效益、环境可持续性和高精度而成为离子分离最有前景的技术之一；然而，尽管纳滤膜可通过尺寸排除和Donnan效应有效分离不同尺寸/电荷的离子，但区分亚埃级尺寸差异且电荷性质相似的离子仍然*具挑战性，因为相似离子选择性主要取决于离子接近膜孔时的脱水效应，而脱水屏障与纳米通道的均匀性密切相关。目前，聚酰胺纳滤膜主要通过界面聚合制备，但单体扩散波动和快速聚合反应常产生具有非均匀孔的异质纳米膜，现有控制策略均依赖于引入外来第三组分（如构建三维网络中间层、加入无机盐或纳米颗粒形成物理屏障），尚未有仅利用单体自身来调节反应的报道。本研究针对上述瓶颈，创新性地提出分子封装介导的梯度催化界面聚合（MEGCIP）策略，通过将聚乙烯亚胺（PEI）封装于二碳酸二叔丁酯（(Boc)₂O）纳米胶囊中，利用微量哌嗪（PIP）引发反应产生的HCl作为催化剂，梯度触发纳米胶囊有序解体并释放活性胺单体，从而在不依赖外来第三组分的前提下，同步控制单体扩散和聚合反应动力学，解决了传统界面聚合中单体扩散不均和反应过快导致的膜结构异质性问题，实现了更均匀的纳米通道构建和更*的相似离子筛分。

实验步骤：

首先合成纳米胶囊PEI@Boc：将PEI1800（5 g, 2.78 mmol）和(Boc)₂O（10.4 g, 0.048 mol）分别溶于二氯甲烷（DCM），待溶液均匀后将(Boc)₂O溶液缓慢加入PEI1800溶液中，25°C搅拌过夜，所得乳状分散液在10000 rpm下离心并洗涤三次以去除残留杂质，得到白色粉末即纳米胶囊PEI@Boc。随后采用非溶剂诱导相分离法制备聚酰亚胺（PI）膜基底：将20% PI颗粒溶于N-甲基吡咯烷酮（NMP）和聚乙二醇400（PEG 400，64 wt%:16 wt%）中，搅拌12 h后静置10 h除泡，用100 μm刮刀将铸膜液在无纺布上刮膜，DI水洗涤去除残留溶剂后保存于DI水中备用。最后制备复合膜：将0.1 wt% PEI@Boc粉末溶于10 wt%三乙醇胺（TEOA）溶液中搅拌2 h至均匀，将PI基底浸入该溶液3 min，用软橡胶辊去除多余溶液和表面气泡；接着将0.0175 wt% PIP水溶液倒在处理后的膜表面反应2 min，擦去残留溶液；随后将膜浸入0.1 wt%均苯三甲酰氯（TMC）/正己烷溶液中20 s，立即用正己烷洗涤以终止界面聚合反应，所得膜记为MEGCIP，保存于DI水中待用。

主要结果和结论：

MEGCIP膜表面呈现独特的图灵（Turing）结构，原子力显微镜和扫描电镜显示其聚酰胺层厚度仅为54 nm，显著薄于TEOA-IP膜（168 nm）和PEI-IP膜（103 nm）；通过中性溶质截留法测得其孔径分布标准偏差为1.28，远小于TEOA-IP的1.59，表明膜孔高度均匀。性能测试表明，当PEI@Boc浓度为0.1%时，膜对MgSO₄截留率达95%，水渗透性为17.9 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹；在NaAc/NaCl二元混合体系（1000:1000 ppm）中，膜对Ac⁻截留率超过95%，而对Cl⁻截留率仅约10%，分离因子高达30，且在不同pH（2-10）和浓度比（2000:2000至10000:10000 ppm）下均保持稳定。分子动力学模拟揭示Ac⁻在纳米通道中的扩散系数（0.12×10⁻⁷ nm²/ns）比Cl⁻（1.85×10⁻⁷ nm²/ns）低15倍。长期过滤测试证实膜在120 h后仍保持优异分离性能。结论表明，MEGCIP策略通过梯度催化释放机制实现了单体扩散和反应动力学的协同调控，制备出具有高度均匀亚纳米通道的聚酰胺膜，为相似离子的*分离提供了新范式。

详细机理：

MEGCIP过程通过两个相互关联的阶段实现可控聚合：（1）引发阶段：微量PIP作为引发剂与TMC反应生成初始聚酰胺片段，同时产生HCl作为反应副产物；（2）聚合阶段：生成的HCl催化纳米胶囊（PEI@Boc）解体，释放活性PEI胺基，新释放的胺与TMC反应扩展聚酰胺网络，同时产生更多HCl，继续促进纳米胶囊解体和胺单体释放，形成自催化的"反应-催化"循环，最终获得致密的聚酰胺网络。在离子分离机理方面，当离子接近膜孔时，Ac⁻的脱水能急剧增加，而Cl⁻脱水能较小，导致大量Cl⁻脱水后穿过膜孔而Ac⁻被截留；同时，Ac⁻与膜孔壁的相互作用能垒远大于Cl⁻，且Ac⁻具有更高的离子电荷密度，受带负电膜的Donnan排斥更强；分子动力学模拟进一步证实Ac⁻在纳米通道中的扩散系数比Cl⁻低15倍，这些协同作用使膜能够实现对亚埃级尺寸差异相似离子的*筛分。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/_btfQT66NIWHoe89U7ASog