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15
2026
-
09
AFM: 亚2 nm非晶纳米带编织多级孔道，破解油水分离通量–选择性矛盾
作者：
背景
膜法油水分离具有低能耗和易于规模化等优势，但长期面临通量与分离效率难以兼顾的问题。其背后并不只是传统意义上的“孔径越大通量越高、孔径越小选择性越好”，而存在更深层的结构矛盾：快速传质需要高度连通、低曲折度的开放通道，而*油水识别和液滴截留又需要大量可接触的界面活性位点。传统聚合物膜、颗粒堆积膜以及晶态框架往往具有随机孔道或高度刚性的规则孔结构，前者容易形成曲折传输路径，后者的几何结构又缺乏自适应能力，同时部分功能位点被埋藏在晶格内部而难以参与界面分离。因此，仅仅改变膜表面的亲疏水性很难从根本上解决“传输通道连通性–界面活性位点密度”之间的结构矛盾。相比之下，非晶一维材料虽然缺少长程有序结构，却具有更高的柔性，可以在组装过程中弯曲、扭转和重新排列，为同时构建开放传输网络和高密度界面位点提供了不同于传统晶态材料的可能。
创新
近日，北京航空航天大学康建新教授团队利用软硬酸碱作用，以疏水性十二烷基硫醇与Co离子配位，构筑厚度低于2 nm的非晶Co–DT纳米带，并进一步将这些柔性一维单元从纳米带逐级组装成微米尺度纳米纤维，最终形成毫米尺度自支撑膜。真正关键的是，非晶结构带来的原子尺度无序使纳米带能够在组装过程中自由弯曲和交错，而不是像刚性晶态纳米线一样按照固定几何方式堆积，由此形成类似“平纹编织”的多级互穿孔网络。这一结构同时保留了两类功能：连续开放的多级孔道降低油相传输的水力阻力，而疏水烷基链和大量可接近的配位不饱和Co–S位点则构成高密度界面作用区域，实现选择性水滴截留。也就是说，作者并非简单在“孔道”和“表面化学”之间做取舍，而是利用非晶柔性组装将二者空间整合。优化后的膜对1%水/二氯甲烷乳液实现约7333 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹的*高通量，同时保持99%的分离效率，并表现出11.06%的低通量衰减和99.56%的通量恢复率；对于烷烃、烯烃、醚、酮和硫醇等多种有机溶剂也保持较高通量。
意义
这项工作的核心意义在于，它重新定义了“无序”在分离膜材料中的角色。传统材料设计通常将结晶度高、结构规则和孔道精确视为优势，而把非晶无序看作需要消除的结构缺陷；这项研究则表明，在需要多尺度传质的膜体系中，原子尺度无序反而可以转化为宏观拓扑结构设计的自由度。非晶结构赋予亚2 nm纳米带足够的柔性，使其能够通过弯曲、交织和重排形成三维互穿网络，从而避免刚性材料组装过程中容易出现的致密堆积、死孔和活性位点埋藏问题。由此建立了“原子尺度无序→纳米带柔性→多尺度编织组装→高连通孔道+高密度可及位点→快速传质与选择性截留协同”的结构链条。更重要的是，这项工作将油水分离膜优化从传统的“表面润湿性调控”进一步推进到“结构拓扑工程”：高通量不一定需要牺牲界面选择性，高密度活性位点也不一定意味着形成致密高阻力结构，关键在于如何通过组装拓扑将二者在不同尺度上协同起来。因此，“利用结构无序获得组装自由度，再利用组装自由度设计传输拓扑”这一思路，也为其他低维非晶材料构筑高通量分离膜提供了新的设计范式。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/j39fk5NdND5vQ0kKQqGmmQ
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