近日，国家纳米科学中心和中国科学院纳米科学卓越中心唐智勇研究员和李连山副研究员在具有刚性分子骨架的自组装多孔薄膜用于高效有机小分子分离的研究中取得重要进展。相关研究成果“Microporous membranes comprising conjugated polymers with rigid backbones enable ultrafast organic-solvent nanofiltration”于2018年7月23日在线发表在《自然·化学》杂志（Nat. Chem., 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0093-9）。 

　　分离和提纯一直是化工行业重要的生产环节。据估计分离过程的能耗大约占整个化工用能的40%。膜分离技术因为比较节能，在分离和提纯过程中发挥着重要的作用。如使用离子交换膜，结合反渗透技术能够对海水进行淡化。相比水相分离，有机溶液体系中的分离要更加困难。这主要是因为在有机溶液当中，由于大部分物质无法电离，因此无法借助电荷的排斥或吸引来进行分离，仅仅能够依靠分子的大小来对物质进行分离。传统分离有机溶剂的方法主要是通过加热的方法来进行精馏，这个过程十分耗能。因此，开发高性能的滤膜通过过滤的工艺，有效截留目标分子且让溶剂顺利通过具有重要的工业应用价值。 

　　为了同时解决高稳定性、高溶剂通量及高选择性的问题，该研究团队选择了具有刚性骨架的自组装多孔聚合物材料。这种材料相比于传统的一维柔性聚合物材料有非常大的优势：第一，三维全共轭结构使得这类材料在任何溶剂中不溶，且具有很高的热稳定性；第二，刚性骨架支撑起丰富的自组装微孔，有利于溶剂的传输；最后，可通过化学手段对孔结构或尺寸进行调控。然而其三维刚性结构在解决了结构稳定性的同时，其不溶的特性也同时带来了材料成膜困难的问题。因此，如何获得高质量的薄膜是解决这类材料在膜分离领域应用的关键一步。 

　　图1. 滤膜的简要制备步骤和CMP的结构表征，图来源：Nature Chemistry 

　　受一维聚合物表面聚合的启发，该课题组在SiO₂表面修饰初始聚合位点后进行表面聚合反应，通过精细控制表面修饰及聚合反应条件，制备得到了共价微孔滤膜（CMP）。这种膜的骨架由全刚性的交联系统组成，仅含有化学惰性的C-C键和C-H键，从而对有机溶剂具有高度耐受性。研究表明，支撑于聚丙烯腈基底上的42 nm厚的CMP膜（CMP/PAN）表现出优异的溶剂分子截留率，并对包括非极性正己烷和极性甲醇在内的广泛的有机溶剂具有优异的透过性，其中正己烷和甲醇的透过速率分别可达到32和22 l m^-2 h^-1 bar^-1。 

　　结合理论模拟和实验结果，研究人员认为，CMP膜的优异透过性能得益于高度稳定的刚性网络结构中形成的开放、相互交叉的孔隙。 

　　总之，这项研究为高性能有机溶剂纳滤膜的开发提供了新的借鉴。 

　　图2. 滤膜的性能测试，图来源：Nature Chemistry 

　　（综合纳米人、研之成理公众号报道）