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超分子组装分离膜，非共价作用也能这么强？
分离膜在生产生活中的各个领域都有广泛应用。在有机分离膜领域，大部分的分离膜都是由聚合物制备而成。分离膜要在一定压力下运行，因此，低分子量的材料一般认为不适合用作分离膜。2010年，来自东京大学的科学家们提出了“水材料”这一概念，指通过大量非共价作用形成的超分子凝胶材料，水在其中起到了十分重要的作用。最近，以色列魏兹曼科学研究所Boris Rybtchinski教授课题组通过Nafion胶体在PP2b（一种两亲性的构建单元）非共价交联层上的自组装，制备了一种具有优异力学性能的膜材料，相关成果发表在近期的Angew. Chem. Int. Ed. 上。
PP2b与Nafion的分子结构。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
膜的制备过程非常简单，在聚醚砜基膜上依次沉积PP2b与Nafion胶体。沉积Nafion胶体前PP2b层有50 µm厚，而沉积后该层缩小为5 µm，这是力学压实与Nafion层渗透压共同作用的结果。Nafion作为一种聚电解质其渗透压对PP2b层的压实起到至关重要的作用，另一方面，PP2b与Nafion的强度可以通过它们之间的疏水相互作用力协同增强。随着膜被压实，通量也由60 Lh-1m-1bar-1下降至3 Lh-1m-1bar-1，从电镜也可以观察到Nafion层疏松多孔而PP2b层较为致密。
PP2b/Nafion复合膜结构。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
上述分离膜表现出优异的离子截留性能，其对Ni2+、Co2+、Pd2+、Cd2+等离子的截留率均在99%左右，明显高于目前所报道的分离膜。
例如，在存在NaCl的溶液里，膜对Cd2+的截留达到99.5%。通过对膜截面的分析，发现被截留的Cd2+均存在于Nafion层中。对于Ni2+，尽管有文献报道的截留率能达到95%-100%，但其必须在一定的pH范围内分离，而这份工作中的杂化膜则不受pH的限制。与吸附类型的分离膜相比，吸附型分离膜在高浓度下分离效率较高，但在低离子浓度下效果较差，而本文报道的杂化膜在高浓度与低浓度下均有较好的表现。
截留Cd2+后膜界面的元素分布。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
除了重金属离子，杂化膜也能用于有机小分子的分离。对于一些荷电的有机小分子如染料，传统的分离膜往往通过静电效应对其进行分离，而本文报道的杂化膜对荷电的与中性的小分子均能完全截留。通过实验研究者们发现，PP2b对截留起到了主要的作用，其截留尺寸小于1 nm。值得一提的是，杂化膜可以在有机溶剂中解组装，重新回收利用，这一特点具有解决膜表面不可逆污染问题的潜力。
杂化膜对不同荷电态染料分子的截留效果。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
杂化膜的耐压性也较为优异，特别是在逐步升压的条件下，膜会被逐步压实，最高能耐40 bar的压力。不过，分离膜具有优异力学性能的微观机理尚待研究。
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Robust Aqua Material: A Pressure-Resistant Self-Assembled Membrane for Water Purification
Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 2203-2207, DOI: 10.1002/anie.20161028
（本文由YHC供稿）