膜技术以其绿色、高效等特点逐步成为新型分离技术的研究热点和前沿。近年来，二维层状膜以其超薄结构、规整2D通道，超高通量和精准分子筛分等优势，在水处理、海水淡化、气体净化、化学品生产等领域展现出巨大的应用前景。在水处理领域，多种二维层状膜的生产能力较传统高分子膜有数量级上的提升。目前，分子在2D限域纳米通道内的传递机理仍存在较大争议，严重限制了膜材料和膜结构的理性设计与调控。值得借鉴的是，碳纳米管实验和理论研究方面的重要进展，使得1D通道内分子超快传递机理有了较为明确的揭示，也为揭示细胞水通道蛋白功能提供了直接指导。

图1. 分子在亲疏水通道内的排布状态对传递能力的影响示意图

近日，天津大学姜忠义教授（点击查看介绍）和郑州大学王景涛教授（点击查看介绍）团队开展了2D限域空间分子超快传递机理及其调变机制的研究。他们以刚性Ti₃C₂T_x 纳米片为构筑单元，制备出具有高稳定性和规则通道的层状膜；通过化学接枝在通道内均匀修饰上亲水的-NH₂和疏水的-C₆H₅、-C₁₂H₂₅，精确调控通道的尺寸和化学环境；接下来，通过分子模拟和实验测试，研究了分子在限域空间内的排布状态及其对传递行为的影响。结果发现，在亲水纳米通道内，极性分子受壁面强相互作用的诱导，沿壁面形成有序层状排布，有效降低了分子在传递过程中的无序碰撞，从而降低了能耗，在毛细管力的协同下快速平动传递，类似于水分子在纳米管或水通道蛋白中形成的分子线。这种规则排布使得甲醇通量高达3018 L m^-2 h^-1 bar^-1, 为在疏水通道内呈无序排布情况下通量的3倍以上。相比之下，对于非极性分子，其在亲水通道和疏水通道内均呈现无序排布，在2D通道内的传递速率接近。上述结果表明分子的排布状态是决定其在限域空间内传递能力的重要根源。

图2. 分子模拟甲醇和正己烷在不同通道内的排布状态

基于分子排布状态对其传递机理的认识，对近20种分子的传递行为进行了解析，建立了两个经验方程。对于有序排布的分子，其传递遵循P_s= A δ_s/ƞ_s d_s²；对于无序排布的分子，其传递遵循P_s' = A'/ƞ_s。上述方程同时也阐述了分子在2D纳米通道内的传递机理，解决了之前文献中的一些争议。这是继一维纳米通道内分子传递机理后，首次系统地研究2D限域空间内分子超快传递行为的开拓性工作。

图3. 有序和无序排布状态下溶剂通量与其物理参数的关系图

相关成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，通讯作者是天津大学姜忠义教授和郑州大学王景涛教授，第一作者是郑州大学的博士研究生吴晓莉。

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Elucidating the Ultrafast Molecular Permeation through Well-defined 2D Nanochannels of Lamellar Membranes

Xiaoli Wu, Xulin Cui, Wenjia Wu, Jingtao Wang, Yifan Li, Zhongyi Jiang

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201912570

导师介绍

姜忠义

https://www.x-mol.com/university/faculty/13315

王景涛

https://www.x-mol.com/university/faculty/14639

（本稿件来自Wiley）