日益嚴(yán)重的淡水短缺和資源匱乏等問題推動(dòng)著膜分離技術(shù)的快速發(fā)展。然而，主流的分離膜常為均質(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。

為解決這一問題，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)合作設(shè)計(jì)制備了一種荷電異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米片并組裝為層狀膜，膜內(nèi)通道上下兩側(cè)的正負(fù)電荷納米域自發(fā)形成內(nèi)建電場(chǎng)，且電場(chǎng)方向交替切換，從而顯著弱化均質(zhì)通道內(nèi)經(jīng)常存在的雙電層效應(yīng)。相關(guān)工作以“Built-in Electric Fields in Heterostructured Lamellar Membranes Enable Highly Efficient Rejection of Charged Mass”發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》上。天津大學(xué)姜忠義教授和鄭州大學(xué)王景濤教授為該工作共同通訊。

【內(nèi)建電場(chǎng)分布及離子傳遞行為】

作者發(fā)現(xiàn)，組裝荷電異質(zhì)納米片可以在納米通道內(nèi)自發(fā)形成方向交替切換的內(nèi)建電場(chǎng)，該內(nèi)建電場(chǎng)不斷改變荷電物質(zhì)（鹽、染料、有機(jī)酸/堿等）的運(yùn)輸方向，迫使其與通道壁反復(fù)碰撞，顯著增大傳遞的內(nèi)能消耗，降低傳遞速率，提高膜的截留能力。相反，均質(zhì)通道內(nèi)，反離子形成的雙電層屏蔽表面電荷，降低通道-離子相互作用，且占據(jù)通道壁面附近的空間，驅(qū)使離子沿通道中心快速傳遞，膜截留率低。

荷電異質(zhì)通道中內(nèi)建電場(chǎng)分布及離子在異質(zhì)和均質(zhì)通道中的傳遞行為示意圖

【荷電異質(zhì)納米片和層狀膜的制備與表征】

通過前驅(qū)體預(yù)組裝隨后高溫縮聚制備具有典型層狀結(jié)構(gòu)的荷電異質(zhì)納米材料，超聲輔助剝離制得異質(zhì)納米片。納米片上正負(fù)電荷納米域交替分布，尺寸約為20-40 nm。低壓真空抽濾納米片稀溶液，使得納米片緩慢沉積制備出具有規(guī)整通道的層狀膜。膜內(nèi)層間通道尺寸約為0.9 nm，強(qiáng)的層間相互作用賦予膜在水和鹽溶液中良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

荷電異質(zhì)納米片及層狀膜的制備與其物理結(jié)構(gòu)表征

【層狀膜的荷電物質(zhì)截留性能】

濃差驅(qū)動(dòng)下，相比于具有類似通道尺寸的均質(zhì)膜，鹽離子通過異質(zhì)膜的滲透速率下降1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，荷電染料、有機(jī)酸/堿也呈現(xiàn)出相同現(xiàn)象。但對(duì)于非荷電物質(zhì)，均質(zhì)通道和異質(zhì)通道的滲透速率接近。

鹽離子、染料和有機(jī)酸/堿通過均質(zhì)膜和異質(zhì)膜的滲透速率

【異質(zhì)膜的離子截留機(jī)制】

作者通過分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)，離子在均質(zhì)通道中沿通道中心平直傳遞，而在異質(zhì)通道中傳遞軌跡迂回曲折、上下波動(dòng)。定量分析發(fā)現(xiàn)離子通過異質(zhì)膜的數(shù)量遠(yuǎn)低于均質(zhì)膜，且離子在宏觀尺度的類平拋運(yùn)動(dòng)模型可擴(kuò)展至納米尺度（~1 nm）。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。

Na+通過均質(zhì)和異質(zhì)通道的模擬快照、離子遷移路徑及通道-離子碰撞的定量分析模型

【異質(zhì)膜的脫鹽性能】

所制備的層狀膜展現(xiàn)出良好的脫鹽性能，通過四級(jí)過濾，NaCl截留率達(dá)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。

異質(zhì)膜的脫鹽性能、抗污染及耐氯性能

總結(jié)：作者設(shè)計(jì)荷電異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米片并組裝為層狀膜，通道內(nèi)自發(fā)形成內(nèi)建電場(chǎng)且電場(chǎng)方向交替切換。該類型的內(nèi)建電場(chǎng)顯著弱化均質(zhì)膜內(nèi)常見的雙電層效應(yīng)，強(qiáng)化通道-離子相互作用，驅(qū)使離子在通道內(nèi)與壁面反復(fù)碰撞，增大傳質(zhì)內(nèi)能消耗。同時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)賦予通道更大的傳質(zhì)空間，水、乙醇、丙酮等中性分子在通道內(nèi)快速傳遞，顯著提高荷電物質(zhì)與非荷電物質(zhì)的選擇性。該工作有望為離子傳遞與分離膜的設(shè)計(jì)提供新路徑。

封面來源于圖蟲創(chuàng)意