如何解决全球水资源短缺现状已成为影响人类健康、经济和社会可持续发展的重大挑战。纳滤（NF）作为一种限域传质精密筛分膜分离技术，是应对全球水资源危机的关键技术。通过亚纳米级孔道可以有效地过滤污染水体中纳米/亚纳米级小分子和离子物质，在废水处理、水软化和净化过程及生物制药领域展现出巨大的应用前景，而纳滤膜材料性质对于纳滤水处理的性能尤为关键。传统纳滤膜一般为薄层复合聚酰胺结构，常通过在多孔基膜上发生有机胺和均苯三甲酰氯的界面聚合（IP）反应制备。由于在 IP 过程中有机胺和酰氯之间的聚合反应速率比胺在有机相溶液中的扩散速率快几个数量级，这种不受控制的扩散和快速聚合形成了具有多尺度不均匀性和孔径不均一的聚酰胺（PA）层，因此通过传统的扩散主导 IP 难以实现理想的 PA-NF 膜结构，由此得到的纳滤膜比表面积和孔道空腔含量较低，限制了纳滤膜的水渗透性。

  冬季的哈尔滨，冰雪晶莹剔透、美轮美奂，展现着独特的魅力！受冰雪世界的启发，邵路教授团队将目光转移到冰化学方向！

  经过近6年不懈努力研究，发现通过冰融化诱导的冰/水相变条件下在界面处反应可以合成高度离子化的三维（3D）准层状纳滤膜。冰限域界面聚合（IC-IP）策略是在含有一种反应单体的冰相和含有另一种反应单体的正己烷溶液之间的界面进行的。与在常规水/正己烷界面形成的具有致密非均相结构的传统商用聚酰胺纳滤膜相比，“冰限域”界面聚合合成的纳滤膜具有独特的三维准层状褶皱结构，该独特结构赋予新型纳滤膜优异的盐分离效果和一/二价阴离子筛分性能，可高效过滤纳米/亚纳米级小分子和离子物质，解决了现有PA膜合成方案产生的低于标准孔道空间结构和电离行为难题。近日，研究成果以“冰限域合成高度离子化三维准层状聚酰胺纳滤膜”（Ice-confined synthesis of highly ionized 3D-quasilayered polyamide nanofiltration membranes）为题发表在《科学》（SCIENCE）上。

“冰限域”界面聚合合成纳滤膜过程及膜结构

  与现有PA膜制备方案不同，“冰限域”界面聚合策略通过控制界面反应操纵六方冰相合成三维准层状PA膜。所制备膜具有高密度电离结构、出色的传输通道、优异的水渗透性和离子选择性。通过实验和理论的研究，证实了“冰限域”在纳滤膜界面反应过程中的特殊作用，并且通过实验测定了合成的纳滤膜三维准层状褶皱结构以及其离子化成度，揭示了“冰限域”界面聚合过程中对冰融化反应动力学和热力学的协同调控导致了纳滤膜高度离子化的三维准层状结构的形成机理。冰/水相变界面反应过程中单体能够通过先前形成的大孔层状结构的间隙/孔道进一步反应形成具有独特物化结构特点的纳滤选择层。“冰限域”合成方法不仅能应用于新一代低碳分离功能膜的合成制备，还在基于界面反应的新型功能材料合成领域方向上具有广阔的应用前景。

新型纳滤膜离子分离性能

  哈工大为论文唯一通讯单位。邵路教授为论文唯一通讯作者。哈工大化工与化学学院张艳秋副教授为论文第一作者。邵路教授团队硕士研究生王浩、博士研究生郭靖，哈工大威海校区程喜全教授，南开大学韩刚教授，爱丁堡大学刘哲宏副教授，科廷大学刘少敏教授和哈工大马军院士参与相关工作。该研究工作获国家自然科学基金、黑龙江省头雁团队原创探索基金、中国博士后科学基金、城市水资源与水环境国家重点实验室开放课题等资助。

作者介绍、诚招博士研究生

邵路教授

  邵路教授为英国皇家化学会会士、黑龙江省杰出青年科学基金获得者、中国化工学会分子辨识分离工程专委会委员，任领域内多个国际权威期刊编委（Journal of Membrane Science, Advanced Membranes）、顾问编委（ACS ES&T Engineering）等职务，连续入选“中国高被引学者”。

  原文链接https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi9531