膜納濾（NF）技術(shù)憑借非相變分離、高能效、低碳足跡等優(yōu)勢(shì)，成為水處理、資源回收等領(lǐng)域精準(zhǔn)離子分離的核心手段。然而，當(dāng)前主流的聚酰胺（PA）納濾膜始終受限于水滲透性與選擇性的固有矛盾—— 提升水通量往往導(dǎo)致溶質(zhì)截留能力下降，反之亦然，這極大制約了其性能潛力的發(fā)揮。
2025年8月4日，南開大學(xué)韓剛團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》發(fā)表的研究論文中，提出了一種創(chuàng)新的多功能分子工程策略，為解決這一難題提供了突破性方案。該研究由潘振湘擔(dān)任第一作者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)邵路與韓剛為共同通訊作者，通過(guò)可規(guī)模化的界面聚合法，成功構(gòu)建出陽(yáng)離子三唑雜環(huán)聚酰胺（CTHP）納米薄膜，實(shí)現(xiàn)了水滲透性與共陽(yáng)離子選擇性的同步提升。
現(xiàn)有技術(shù)瓶頸與研究背景
聚酰胺薄膜復(fù)合膜因適配不同規(guī)模的過(guò)濾模塊，成為目前應(yīng)用最廣泛的納濾膜材料。但受限于傳質(zhì)機(jī)制，其性能提升面臨兩大核心挑戰(zhàn)：
結(jié)構(gòu)調(diào)控難題：理想的納濾膜需要具備窄分布的明確孔徑、與滲透物的精準(zhǔn)相互作用及超薄選擇層，但現(xiàn)有制備方法難以同時(shí)滿足這些條件。
性能平衡困境：傳統(tǒng)優(yōu)化手段（如表面電荷修飾）多聚焦于單一性能提升（如截留率），卻無(wú)法突破滲透性與選擇性的負(fù)相關(guān)關(guān)系；部分通過(guò)縮小孔徑分布提升選擇性的方法，又會(huì)顯著增加傳質(zhì)阻力，導(dǎo)致水通量下降。
盡管新興微孔材料（如二維納米材料、MOFs、COFs 等）曾展現(xiàn)出高滲透與高選擇性的潛力，但因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、難以規(guī)模化制備等問(wèn)題，實(shí)用價(jià)值有限。不過(guò)，這些材料的研究凸顯了明確孔徑分布與精細(xì)相互作用調(diào)控對(duì)提升膜性能的關(guān)鍵作用。
創(chuàng)新策略與技術(shù)突破
南開大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的分子工程方法，核心在于通過(guò)理性設(shè)計(jì)的季銨化三唑單體，經(jīng)原位界面聚合構(gòu)建 CTHP 結(jié)構(gòu)，從分子層面實(shí)現(xiàn)對(duì)聚酰胺納米膜的精準(zhǔn)調(diào)控：
結(jié)構(gòu)優(yōu)化：CTHP 結(jié)構(gòu)使膜材料形成明確的亞納米級(jí)孔道，且孔徑分布窄，同時(shí)賦予膜表面豐富的正電荷與極性。
傳質(zhì)增強(qiáng)：特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)提供了低能壘的優(yōu)先水分子結(jié)合位點(diǎn)，從能量角度促進(jìn)水分子在膜內(nèi)的容納與擴(kuò)散，有效抵消了孔徑縮小可能導(dǎo)致的傳質(zhì)阻力增加。
實(shí)驗(yàn)與分子模擬結(jié)果顯示，這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了尺寸篩分效應(yīng)與 Donnan 排斥效應(yīng)的協(xié)同增強(qiáng)：
對(duì)二價(jià)陽(yáng)離子的截留率超過(guò)99%；
一價(jià)/二價(jià)陽(yáng)離子的篩分選擇性較原始基準(zhǔn)膜提升9倍；
水滲透性提升3倍，成功突破傳統(tǒng)性能閾值；
同時(shí)具備優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性與抗污染能力。
應(yīng)用前景與學(xué)術(shù)價(jià)值
該研究提出的分子工程策略，通過(guò)可規(guī)模化的制備工藝，解決了聚酰胺納濾膜長(zhǎng)期存在的性能矛盾，為高性能聚合物膜的設(shè)計(jì)提供了全新思路。基于單體化學(xué)的多樣性，這一方法有望拓展至更多精準(zhǔn)分離場(chǎng)景，在清潔水制備、可再生能源開發(fā)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，為應(yīng)對(duì)水資源短缺與能源危機(jī)等全球性挑戰(zhàn)提供了有力的技術(shù)支撐。
