日益嚴(yán)重的淡水短缺和資源匱乏等問(wèn)題推動(dòng)著膜分離技術(shù)的快速發(fā)展。然而，主流的分離膜通常是均質(zhì)荷電膜，溶液中反離子在通道壁上易形成雙電層而壓縮傳質(zhì)空間、弱化通道-離子相互作用，造成膜的離子截留率下降。
近日，天津大學(xué)姜忠義教授和鄭州大學(xué)王景濤教授團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)展了異質(zhì)結(jié)構(gòu)層狀膜用于高效荷電物質(zhì)截留的研究。該工作設(shè)計(jì)制備荷電異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米片，自組裝成二維層狀膜。研究表明上下兩層通道壁面上的正負(fù)電荷納米域會(huì)形成內(nèi)建電場(chǎng)，且電場(chǎng)方向交替切換，從而顯著弱化了傳統(tǒng)均質(zhì)通道內(nèi)存在的雙電層效應(yīng)。該類(lèi)型內(nèi)建電場(chǎng)迫使荷電物質(zhì)（鹽、染料、有機(jī)酸/堿等）與通道壁反復(fù)碰撞，顯著增大傳遞內(nèi)能消耗，賦予異質(zhì)膜良好的截留能力。同時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)賦予通道大的傳質(zhì)空間，使得水、乙醇、丙酮等中性分子快速傳遞。
分子動(dòng)力學(xué)分析表明，離子在均質(zhì)通道中沿通道中心線單向傳遞，而在異質(zhì)通道中傳遞軌跡迂回曲折、上下波動(dòng)。分析發(fā)現(xiàn)離子在宏觀尺度的類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)模型可擴(kuò)展至納米尺度（~1 nm），但納米限域空間內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)離子運(yùn)動(dòng)的影響更為顯著，電場(chǎng)強(qiáng)度指數(shù)從0.5次方增大到2次方。 所制備的層狀膜展現(xiàn)出良好的脫鹽性能，通過(guò)四級(jí)過(guò)濾，NaCl截留率達(dá)到99.0%，水通量保持在19.2 L m-2 h-1 bar-1；同時(shí)具有優(yōu)異的抗污染和耐氯性能。該工作有望為離子傳遞與分離膜的設(shè)計(jì)提供了新路徑。 論文信息 Built-in Electric Fields in Heterostructured Lamellar Membranes Enable Highly Efficient Rejection of Charged Mass Chongchong Chen, Xiaoli Wu, Jingjing Chen, Siyu Liu, Yongzheng Wang, Wenjia Wu, Jie Zhang, Jingtao Wang, Zhongyi Jiang 文章的第一作者是鄭州大學(xué)化工學(xué)院博士研究生陳沖沖和鄭州大學(xué)河南先進(jìn)技術(shù)研究院吳曉莉研究員 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202406113
