工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及頻繁發(fā)生的石油泄漏事對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境造成了災(zāi)難性難題，這與人類構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)趨勢(shì)背道而馳。因此開(kāi)發(fā)一種從混合物中選擇性分離大量有機(jī)污染物或水的方法迫在眉睫。傳統(tǒng)的油水分離技術(shù)存在分離效率低、裝置復(fù)雜和成本高等缺點(diǎn)。近些年特殊超潤(rùn)濕性的膜在油水分離中的應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注，但分離材料的可逆性、機(jī)械強(qiáng)度以及實(shí)際應(yīng)用前景存在有待優(yōu)化之處。
為了解決以上難題，華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院寧成云教授團(tuán)隊(duì)和中科院理化研究所周亞紅團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有導(dǎo)電聚合物納米尖端陣列修飾的新型微/納米多孔膜，通過(guò)調(diào)節(jié)納米尖端的高度和氧化還原狀態(tài)可以得到具有超親水—超疏水轉(zhuǎn)化的智能分離膜，并且納米尖端水膜的形成增強(qiáng)了膜的滲透性，提高分離膜的分離效率，為智能分離膜的設(shè)計(jì)提供了新思路。該項(xiàng)成果以題為“Ultrafast and On-Demand Oil/Water Separation Membrane System Based on Conducting Polymer Nanotip Arrays”發(fā)表在《Nano letters》（見(jiàn)文后全文鏈接）。
【圖文解讀】
具有導(dǎo)電聚合物納米尖端的微/納米多孔膜的制備和原理：研究者通過(guò)電化學(xué)聚合將聚吡咯（PPy）和β-萘磺酸（NSA）納米尖端接枝在鈦網(wǎng)上，得到具有可逆電化學(xué)活性的膜。通過(guò)控制反應(yīng)時(shí)間，可以得到納米尖端高度由49 ± 6 nm 變化到 529 ± 77 nm的分離膜，同時(shí)分離膜的潤(rùn)濕性也得到一定程度的調(diào)節(jié)。
不同高度和化學(xué)狀態(tài)下的潤(rùn)濕性：化學(xué)成分和表面粗糙度對(duì)材料的潤(rùn)濕性具有重要作用，研究者發(fā)現(xiàn)在空氣中通過(guò)調(diào)節(jié)氧化還原電位可以實(shí)現(xiàn)從超疏水（137°）到超親水（0°）的轉(zhuǎn)變，當(dāng)納米尖端高度達(dá)到348 nm時(shí)，薄膜表現(xiàn)出超潤(rùn)濕性開(kāi)關(guān)行為(接觸角大于150°或小于30°)，這一趨勢(shì)與微尺度陣列表面一致。
不同高度和化學(xué)狀態(tài)下膜的油水分離效率：膜潤(rùn)濕性的變化表明材料具有用于油水分離的能力。油/水混合物可以超快選擇性地通過(guò)微/納米分離膜(圖3a、b)。多次循環(huán)的可逆分離效率高達(dá)97.3%。值得注意的是，膜的分離速度隨著納米尖端的高度而提高，納米尖端高度為529 nm的氧化膜的水通量為50326 L·m-2·h-1，傳送速率可以提高1.5倍。為了進(jìn)一步研究分離過(guò)程的機(jī)理，改性膜的孔隙率與裸鈦網(wǎng)幾乎相同，因?yàn)榫酆衔锼⑻幱诩{米尺度內(nèi)。聚合物刷改性后，薄膜的透氣性會(huì)隨著納米尖端的高度而直接增加，最終與裸鈦網(wǎng)的透氣性基本相同。
膜親疏水變化機(jī)理研究：由于在氧化還原過(guò)程中并未觀察到物理結(jié)構(gòu)的變化，研究者認(rèn)為摻雜的NSA進(jìn)入/流出納米尖端的運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)了潤(rùn)濕性的變化。在還原狀態(tài)下?lián)诫s粒子向聚合物鏈外移動(dòng)，膜呈現(xiàn)親油/疏水性；當(dāng)摻雜粒子在氧化狀態(tài)下進(jìn)入聚合物鏈段，呈負(fù)電位，浸泡在水中，磺化酸基團(tuán)趨向于溶于水，膜表現(xiàn)出親水性/疏油性。因此通過(guò)調(diào)節(jié)氧化還原狀態(tài)可以調(diào)控膜的親疏水性。
【小結(jié)】
綜上所述，研究者開(kāi)發(fā)了一種實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕性可逆切換和超快的油水分離膜。利用納米尖端的化學(xué)狀態(tài)和物理結(jié)構(gòu)來(lái)精確調(diào)節(jié)其潤(rùn)濕性。納米尖端穩(wěn)定的水膜環(huán)境有利于增強(qiáng)膜的滲透性，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)表面潤(rùn)濕性變化的內(nèi)在機(jī)理，為設(shè)計(jì)一種刺激性的油水分離功能膜提供了新思路。
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