据高分子科学前沿微信公众平台2019年4月9日讯 随着工业的发展，对有机溶剂的需求日益增多，过度排放的有机溶剂既造成了资源的严重浪费，也给环境带来极大的负担。二维层状膜以其高性能、低能耗的优势引起人们的广泛关注。但是，纳滤性能和结构稳定性的trade-off效应（博弈效应）限制了层状膜在有机溶剂纳滤中的高效应用。发展具有良好渗透性能、截留性能和结构稳定性的二维层状膜一直是该研究领域的巨大挑战之一。减小膜厚和扩大层间距虽可增强膜渗透性，但常以牺牲膜的截留和结构稳定性为代价。
因此，如何在不破坏层状膜堆叠结构的同时强化其对溶剂的传递是一个重要问题。在自然界中，纳米布甲壳虫背部具有超亲水凸起和超疏水凹槽的结构，超亲水凸起快速捕集空气中的水分，超疏水凹槽实现了水的低阻力传递。受此亲疏多级结构的启发，天津大学姜忠义课题组和郑州大学王景涛课题组创制了亲疏异质结构层状复合膜，巧妙耦合高分子簇和层间通道在溶解和扩散方面的独特优势，提升了层状膜的纳滤性能和结构稳定性，并在Advanced Functional Materials上合作发表了题为：“Beetle-Inspired Assembly of Heterostructured Lamellar Membranes with Polymer Cluster-Patterned Surface for Enhanced Molecular Permeation”的文章。文章第一作者为王景涛教授。
亲疏表面异质结构层状膜制备分为三步：
1.采用静电雾化技术制备高度规整的层状膜。
2.利用静电雾化技术在层状膜表面图案化沉积与其亲疏性相反的高分子簇。
3.热处理使高分子簇和层状膜表面共价交联。
受甲壳虫背部亲疏多级结构启发，利用静电雾化技术制备高度规整的层状膜，并在其表面图案化锚定高分子簇。此亲疏异质结构可巧妙耦合高分子和无机材料的功能，在显著提升层状膜传递能力的同时实现精准的尺寸筛分。
| 图1．合成的GO和RGO的SEM、TEM、AFM和XPS的表征 要点1：尺寸为～3μm的亲水GO纳米片和疏水RGO纳米片得到了制备，其中AFM测试的GO纳米片厚度为1.1nm，RGO纳米片的厚度为0.5nm。 要点2：利用静电雾化技术，规整层状膜获得制备，具体形成过程为，在静电斥力作用下纳米片以更加舒展的状态沉积，而旋转的接收器在沉积过程中提供剪切力，使纳米片平铺在基膜上，获得规整层状膜。 |
| 图2．膜的SEM、AFM和XRD表征 要点1：高分子簇图案化的锚定在层状膜表面，且未破坏层状膜的固有结构； 要点2：高分子簇宽为～20nm，高为～1.2nm。 |
| 图3．膜表面EDS、接触角和膜的溶剂吸附率 要点：高分子簇的均匀锚定改变了层状膜表面的亲和性能，强化了其对溶剂分子的溶解过程。 |
| 图4．膜的溶剂渗透性能和压力循环图 要点1：高分子簇的锚定强化了GO层状膜对非极性溶剂的渗透性能和RGO膜对极性溶剂的渗透性能。 要点2：压力循环验证了溶剂分子在非亲和通道中的低阻力扩散。 |
| 图5．膜的渗透性能对比和截留性能图 要点1：高分子簇的锚定使目标溶剂的渗透性能大幅增强（大于7倍），表面高分子层修饰的层状膜。 要点2：高分子簇的修饰未改变层状膜的本征结构，完整保留了规整层状膜精准的尺寸筛分性能。 |
| 图6．膜的长时操作稳定性和结构稳定性 要点：膜具有很强的结构稳定性，面对长时间的操作、强酸、强碱环境，膜的纳滤性能基本不受影响。 |
总结：
1. 采用静电雾化技术制备高度规整的层状膜，规整堆叠使纳米片之间有序重叠，并产生层间强相互作用，提高了膜的结构稳定性，同时实现了精准的分子筛分。
2. 利用静电雾化技术，在上述层状膜表面图案化的沉积与片层亲疏性相反的高分子簇，构建出仿纳米布甲壳虫背部的亲疏异质结构。充分集成高分子和无机材料优势，实现了膜表面超快溶解和膜内部超低阻力扩散，同时实现了膜传递特性的高效强化。
