天大姜忠义、郑大王景涛《Angew》：异质层状膜中的内建电场赋予高效荷电物质截留

日益严重的淡水短缺和资源匮乏等问题推动着膜分离技术的快速发展。然而，主流的分离膜常为均质荷电膜，溶液中反离子在通道壁上易形成双电层而压缩传质空间、弱化通道-离子相互作用，造成膜的离子截留率下降。

为解决这一问题，天津大学姜忠义教授和郑州大学王景涛教授团队合作设计制备了一种荷电异质结构纳米片并组装为层状膜，膜内通道上下两侧的正负电荷纳米域自发形成内建电场，且电场方向交替切换，从而显著弱化均质通道内经常存在的双电层效应。相关工作以“Built-in Electric Fields in Heterostructured Lamellar Membranes Enable Highly Efficient Rejection of Charged Mass”发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。天津大学姜忠义教授和郑州大学王景涛教授为该工作共同通讯。

【内建电场分布及离子传递行为】

作者发现，组装荷电异质纳米片可以在纳米通道内自发形成方向交替切换的内建电场，该内建电场不断改变荷电物质（盐、染料、有机酸/碱等）的运输方向，迫使其与通道壁反复碰撞，显著增大传递的内能消耗，降低传递速率，提高膜的截留能力。相反，均质通道内，反离子形成的双电层屏蔽表面电荷，降低通道-离子相互作用，且占据通道壁面附近的空间，驱使离子沿通道中心快速传递，膜截留率低。

荷电异质通道中内建电场分布及离子在异质和均质通道中的传递行为示意图

【荷电异质纳米片和层状膜的制备与表征】

通过前驱体预组装随后高温缩聚制备具有典型层状结构的荷电异质纳米材料，超声辅助剥离制得异质纳米片。纳米片上正负电荷纳米域交替分布，尺寸约为20-40 nm。低压真空抽滤纳米片稀溶液，使得纳米片缓慢沉积制备出具有规整通道的层状膜。膜内层间通道尺寸约为0.9 nm，强的层间相互作用赋予膜在水和盐溶液中良好的结构稳定性。

荷电异质纳米片及层状膜的制备与其物理结构表征

【层状膜的荷电物质截留性能】

浓差驱动下，相比于具有类似通道尺寸的均质膜，盐离子通过异质膜的渗透速率下降1-2个数量级。同时，荷电染料、有机酸/碱也呈现出相同现象。但对于非荷电物质，均质通道和异质通道的渗透速率接近。

盐离子、染料和有机酸/碱通过均质膜和异质膜的渗透速率

【异质膜的离子截留机制】

作者通过分子动力学模拟证实，离子在均质通道中沿通道中心平直传递，而在异质通道中传递轨迹迂回曲折、上下波动。定量分析发现离子通过异质膜的数量远低于均质膜，且离子在宏观尺度的类平抛运动模型可扩展至纳米尺度（~1 nm）。纳米限域空间内电场强度对离子运动的影响更为显著，电场强度指数从0.5次方增大到2次方。

Na+通过均质和异质通道的模拟快照、离子迁移路径及通道-离子碰撞的定量分析模型

【异质膜的脱盐性能】

所制备的层状膜展现出良好的脱盐性能，通过四级过滤，NaCl截留率达99.0%，水通量保持在19.2 L m-2 h-1 bar-1；同时具有优异的抗污染和耐氯性能。

异质膜的脱盐性能、抗污染及耐氯性能

总结：作者设计荷电异质结构纳米片并组装为层状膜，通道内自发形成内建电场且电场方向交替切换。该类型的内建电场显著弱化均质膜内常见的双电层效应，强化通道-离子相互作用，驱使离子在通道内与壁面反复碰撞，增大传质内能消耗。同时，内建电场赋予通道更大的传质空间，水、乙醇、丙酮等中性分子在通道内快速传递，显著提高荷电物质与非荷电物质的选择性。该工作有望为离子传递与分离膜的设计提供新路径。

封面来源于图虫创意