01.22 《先進材料》：比商用FO膜高出100倍！每平方納米一個水通道實現超高水滲透率

背景介紹

細胞中水的傳輸是生命活動的基本過程。在這一過程中，細胞利用水通道蛋白（一種具有0.3 nm通道的膜蛋白）以水分子單鏈的方式有效地將水分子穿過細胞膜進行轉運，但是所有的離子會被排斥在外。研究者受到水分子在天然納米管道中傳輸的啟發，就想製造一種人造膜來為人類提供清潔的飲用水。很顯然，要想成功“複製”細胞中的水分子傳輸關鍵在於開發出類似尺寸的通道。商業上廣泛使用的滲透膜難以完成這一“使命”，因為組成這些膜的聚合物鏈通常是無規排列的，因此膜中的孔徑分佈很寬。合成的納米管，比如碳納米管和氮化硼納米管可以從分子水平上對通道特性進行控制，儘管如此要製造出直徑小於1 nm的微孔，還要把各種離子，比如Na+、K+和Cl–等拒之門外，仍然是一項挑戰性工作。

成果介紹

基於以上分析，德國比勒費爾德大學的Armin Gölzhäuser

CNM膜製備過程及表徵

圖1. 用DC方法分析離子傳輸性。a)左圖為利用電子誘導交聯方法制備CNM，右圖最上面為自組裝單層膜的原子力顯微鏡圖片，中間為交聯單層膜的原子力顯微鏡圖片，最下面為氦離子顯微照片；b)離子傳輸

在Au表面自組裝的TPT單層在低能量電子輻射下會導致TPT前驅體中的C-H鍵斷裂，將高度有序的分子結構轉換為堅韌的交聯碳網絡。這些納米薄膜水通量極高，同時幾乎不滲透非極性分子和原子，這是由於這些CNM上存在高密度亞納米通道（≈10¹⁸m^-2，即每平方納米1個亞納米孔），通道密度遠遠超過其它納米結構膜（≈10¹⁴–10¹⁶m^-2）。

研究者將CNM安裝在具有微米級孔徑的Si3N4/Si芯片上，通過分析電流-電壓（IV）特性來測量CNM的離子傳輸行為。發現在1 M的KCl溶液中，孔徑尺寸為15 µm、3.4 µm和150 nm的芯片電阻分別為12kΩ、70kΩ和0.8MΩ；當15 µm尺寸孔的芯片被單層TPT CNM覆蓋時，電流與無孔芯片一致， TPT CNM還可以阻止HCl、LiCl、NaCl和MgCl2中的離子傳輸。表明CNM具有極高的離子排斥能力，估計離子在TPT CNM上的直流電阻大於60 GΩ。

圖2. 電化學阻抗譜表徵。（a）b圖阻抗譜的等效電路模型；（b）TPT CNM在1 M的HCl、LiCl、KCl、NaCl和MgCl2溶液中的Nyquist阻抗曲線；（c）在1 M氯離子溶液中TPT CNM傳輸阻力比較；（d-f）在1 M HCl溶液中TPT CNM的Nyquist、Bode和相偏移隨頻率變化曲線。

研究者還使用電化學阻抗譜（EIS）在10^-2至10⁶Hz的頻率範圍內進行了CNM膜的交流電導率測量，相應的Nyquist圖用等效電路進行建模，發現穿過CNM的離子傳輸阻力達到數個GΩ，這證實了所有離子在TPT CNM上都具有很高的電阻。他們還在類似開孔尺寸的薄膜中進行阻抗譜測定，發現電阻只有10

圖3. 雙層CNM正向滲透實驗。a) 左圖為滲透細胞示意圖，右圖

由於TPT CNM同時實現了高水通量和高離子截留率，研究者進行了CNM的正向滲透實驗。他們將雙層CNM轉移到140 µm厚的聚合物載體（3M的Microlon）上，並將得到的CNM/Microlon複合材料（有效膜面積5mm²）置於滲透池中，兩側分別是2×10^-3和1 M的NaCl溶液。發現水通過這些膜的速度與通過單層膜一樣快，流量與通道長度無關，在60分鐘內，高濃度側的鹽濃度從1降至0.3 M。研究者又將雙層CNM與“蝕刻”的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜（PET）結合在一起，發現滲透率比最著名的商業FO膜（HTI-CA）高兩個數量級，在相同條件下進行滲透，CNM僅需4分鐘就可以將高濃度鹽溶液從1M稀釋到0.3 M，而HTI-CA膜則需要300分鐘。小結

受到細胞膜中分子傳輸機制的啟發，

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201907850

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關鍵字: 阻抗 傳輸 超高