膜納濾（NF）技術憑借非相變分離、高能效、低碳足跡等優勢，成為水處理、資源回收等領域精準離子分離的核心手段。然而，當前主流的聚酰胺（PA）納濾膜始終受限于水滲透性與選擇性的固有矛盾—— 提升水通量往往導致溶質截留能力下降，反之亦然，這極大制約了其性能潛力的發揮。

2025年8月4日，南開大學韓剛團隊在《Nature Communications》發表的研究論文中，提出了一種創新的多功能分子工程策略，為解決這一難題提供了突破性方案。該研究由潘振湘擔任第一作者，哈爾濱工業大學邵路與韓剛為共同通訊作者，通過可規模化的界面聚合法，成功構建出陽離子三唑雜環聚酰胺（CTHP）納米薄膜，實現了水滲透性與共陽離子選擇性的同步提升。

現有技術瓶頸與研究背景

聚酰胺薄膜復合膜因適配不同規模的過濾模塊，成為目前應用最廣泛的納濾膜材料。但受限于傳質機制，其性能提升面臨兩大核心挑戰：

結構調控難題：理想的納濾膜需要具備窄分布的明確孔徑、與滲透物的精準相互作用及超薄選擇層，但現有制備方法難以同時滿足這些條件。

性能平衡困境：傳統優化手段（如表面電荷修飾）多聚焦于單一性能提升（如截留率），卻無法突破滲透性與選擇性的負相關關系；部分通過縮小孔徑分布提升選擇性的方法，又會顯著增加傳質阻力，導致水通量下降。

盡管新興微孔材料（如二維納米材料、MOFs、COFs 等）曾展現出高滲透與高選擇性的潛力，但因結構穩定性差、難以規模化制備等問題，實用價值有限。不過，這些材料的研究凸顯了明確孔徑分布與精細相互作用調控對提升膜性能的關鍵作用。

創新策略與技術突破

南開大學團隊設計的分子工程方法，核心在于通過理性設計的季銨化三唑單體，經原位界面聚合構建 CTHP 結構，從分子層面實現對聚酰胺納米膜的精準調控：

結構優化：CTHP 結構使膜材料形成明確的亞納米級孔道，且孔徑分布窄，同時賦予膜表面豐富的正電荷與極性。

傳質增強：特殊的化學結構提供了低能壘的優先水分子結合位點，從能量角度促進水分子在膜內的容納與擴散，有效抵消了孔徑縮小可能導致的傳質阻力增加。

實驗與分子模擬結果顯示，這種設計實現了尺寸篩分效應與 Donnan 排斥效應的協同增強：

對二價陽離子的截留率超過99%；

一價/二價陽離子的篩分選擇性較原始基準膜提升9倍；

水滲透性提升3倍，成功突破傳統性能閾值；

同時具備優異的化學穩定性與抗污染能力。

應用前景與學術價值

該研究提出的分子工程策略，通過可規模化的制備工藝，解決了聚酰胺納濾膜長期存在的性能矛盾，為高性能聚合物膜的設計提供了全新思路。基于單體化學的多樣性，這一方法有望拓展至更多精準分離場景，在清潔水制備、可再生能源開發等領域具有廣闊應用前景，為應對水資源短缺與能源危機等全球性挑戰提供了有力的技術支撐。

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