具有沙漏形纳米通道的共价有机框架膜用于超快脱盐

为解决海水淡化中膜材料渗透性与选择性难以兼顾的难题，研究人员通过氨基环糊精纳米颗粒(CDN)在COF膜纳米通道入口的定向组装，构建了具有pH响应性的沙漏形异质纳米通道。该膜展现出98 L m-2 h-1的高水通量及94%的Na2SO4截留率，突破了传统膜材料的性能瓶颈，为智能分离膜设计提供了新思路。

　　

全球淡水资源短缺日益严峻，海水淡化技术成为解决这一问题的关键途径。传统聚合物膜材料面临渗透性与选择性难以兼得的"trade-off"效应，而具有均一纳米通道的共价有机框架(COF)材料虽展现出潜力，但1.0 nm以下的孔径会显著降低水通量。如何通过纳米通道的结构设计打破这一限制，成为膜分离领域的重要挑战。

天津大学姜忠义团队在《Nature Communications》发表研究，创新性地提出"沙漏形纳米通道"设计理念。通过将氨基环糊精纳米颗粒(CDN)定向组装在COF膜通道入口，构建了由亲水性锥形入口(1.6 nm)、疏水性喉部(0.5 nm)和COF固有纳米孔(1.4 nm)组成的异质纳米通道体系。这种独特结构不仅实现了水分子的快速传输，还通过pH响应性氨基基团实现了通道尺寸和电荷的动态调控。

研究采用的关键技术包括：1)两相法合成TpPa-SO₃H COF纳米片；2)CDN在COF膜通道入口的逐层组装技术；3)死端过滤和错流过滤系统评估膜性能；4)DFT计算和分子动力学模拟解析传输机制。

膜材料制备与表征

通过FT-IR和¹³C NMR证实了TpPa-SO₃H COF纳米片中亚胺键(-C=N-)的成功形成。XRD显示4.6°处的(100)晶面衍射峰，证实其二维层状结构。TEM显示1-3 μm的横向尺寸和4 nm厚度，氮吸附测试测得1.4 nm孔径。

沙漏形通道构建

CDN通过氢键和静电作用定向组装在COF通道入口，形成亲水-疏水不对称润湿性界面。接触角测试显示COF-CDN-12膜10秒内接触角从51.1°降至10.9°，显著优于原始COF膜(74.2°→65.7°)。

脱盐性能突破

COF-CDN-12膜在2.0 bar压力下实现98 L m^-2 h^-1水通量，Na₂SO₄和NaCl截留率分别达94%和92%。两阶段过滤测试显示盐浓度从1000 ppm降至3 ppm(截留率99.7%)。

pH响应机制

酸性条件(pH=3)下质子化氨基使通道喉部收缩至4.7 ?，水通量34 L m^-2 h^-1，NaCl截留率97%；碱性条件(pH=11)去质子化后喉部扩展至5.3 ?，水通量提升至108 L m^-2 h^-1。DFT计算显示pH=3时Na⁺结合能(-2.95 eV)显著高于pH=11(-2.09 eV)。

稳定性验证

7天连续测试中膜性能保持稳定，三次pH循环(3?11)后截留率仅下降2%。次氯酸钠浸泡24小时后结构完整，证明其优异化学稳定性。

该研究通过仿生沙漏形通道设计，首次实现了COF膜材料渗透性(较原始膜提升118%)与选择性的协同优化。pH响应特性为智能膜材料开发提供了新范式，其模块化组装策略可拓展至其他功能化纳米颗粒，为下一代高效脱盐膜设计开辟了新路径。