芳纶纳米纤维因其高机械强度和热稳定性而成为有前景的有机纳米结构单元，被广泛应用于制造用于分离膜。然而，按现有方法制备的芳纶纳米纤维通常直径较小，导致形成的分离膜过于致密，限制了纳滤膜的分离效率。
近期，迪肯大学类前沿材料研究院（IFM）类伟巍教授、刘丹教授合作成功的通过将二甲基甲酰胺作为二次去质子化溶剂添加到二甲亚砜中以提供温和的变形环境的方法，改良了现有的芳纶纳米纤维的制备方法,将纤维直径从纳米级带到了亚微米级。然后，通过调节改良的芳纶纳米纤维溶液浓度用于制备具有更大孔径分布和更高表面电荷的纳滤膜。通过此方法制备的芳纶纳米纤维纳滤膜的水通量最高可达410 L m−2h−1bar−1, 比目前的商业纳滤膜的水通量高了40倍有余. 同时，得益于芳纶纳米纤维的高机械强度和化学稳定性，使用此方法制备的纳滤膜具有超稳定纳米通道，在 4 至 10 的广泛 pH 值范围内保持超过 194 L m−2h−1bar−1 的高水通量，并在超过120小时的测试中表现出优异的长效稳定性。本工作研发的芳纶纳米纤维变形方法提供了一种新的思路来调控芳纶纳米纤维直径分布，同时本文提供的膜的结构设计打破了现有的纳滤膜在渗透性和选择性之间平衡点，为设计下一代纳滤膜提供了一种创新的方法。相关研究成果以“Solvent-Induced Deformation of Aramid Nanofibers for Ultrahigh-Flux Nanofiltration Membranes” 为题发表在Advanced Functional Materials上。马宇熹为本文的第一作者。
首先，通过改良传统的芳纶纳米纤维的制备方法, 将可于二甲亚砜互溶的非质子溶剂二甲基甲酰胺混溶二甲亚砜溶液，同时保持氢氧化钾饱和，来定向调控芳纶纳米纤维的质子化程度，从而影响芳纶纳米纤维最终的直径大小 （图1a）。如图1 b-d所示，本工作成功的将传统芳纶纳米纤维直径从小于30纳米增大到平均165纳米，最小30纳米最大350纳米的正态分布曲线上。同时，通过一系列表征，如FTIR，液相Raman 和XRD等，进一步动态揭示了变形过程中的氢键数量变化，以及带来的芳纶纳米纤维和所构成的膜的结构的变化。
图1.液相重组芳纶纳米纤维的变形机理以及形貌结构表征。
除了液相重组芳纶纳米纤维本身，液相重组芳纶纳米纤维溶液浓度被调节利用来影响其纳滤膜的形貌与结构。通过增大膜分离孔道的直接分布和增强膜表面的负电带电量，来进一步设计与实现高通量的纳滤膜。
图2. 原始和液相重组芳纶纳米纤维纳滤膜的形貌。
图3. 原始和液相重组芳纶纳米纤维纳滤膜的表面粗糙度，表面电荷和亲疏水表征
本工作所得到的一系列液相重组芳纶纳米纤维纳滤膜展现出了超高效率的对阴离子型染料分子的分离。通过进一步的膜参数优化与调节，ANF-DMF-0.15膜平衡了分离性能和水通量，展现了超强的酸碱和长效分离稳定性。
图4. 液相重组芳纶纳米纤维纳滤膜的分离示意图以及性能测试。
图5. 液相重组芳纶纳米纤维纳滤膜的稳定性测试和性能比较。
本工作不但提供了一种新的纤维直径调控方法，而且成功使用的这一策略来设计和制造具有特定孔径和表面电荷的高通量纳滤膜。所得到的液相重组芳纶纳米纤维纳滤膜性能远远超过目前所有基于芳纶纳米纤维的传统纳滤膜以及目前使用的商业化纳滤膜，展现出了极大的市场应用前景，也为将来新一代的纳滤膜结构设计提供了新的指导与思路。
参考文献：
Ma, Y., Qin, S., Yang, G., Wang, L., Yang, T., Zang, H., ... & Lei, W. (2023). Solvent‐Induced Deformation of Aramid Nanofibers for Ultrahigh‐Flux Nanofiltration Membranes. Advanced Functional Materials, 2309722.
作者简介
马宇熹，本科毕业于苏州大学，2021年至今在迪肯大学先进材料研究院攻读博士学位。就读期间主要从事于二维材料以及芳纶纳米纤维的剥离，分离膜的孔道调控和膜在水净化以及可再生能源领域的应用研究。在Advanced Functional Materials, Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Small, Journal of Environmental Chemical Engineering, Global Challenges等期刊共发表11篇文章。
刘丹教授，澳大利亚迪肯大学先进材料研究院（IFM）副教授，博士生导师，2015年澳大利亚优秀青年学者，2020年澳大利亚未来学者。主要致力于先进二维纳米材料和功能纳米复合材料以及在新型纳米滤膜，热管理器件和新能源等应用研究。近年来在本领域发表国际SCI论文180余篇，包括Nature Communications，Joule，Adv. Energy Mater，J. Am. Chem. Soc， Adv. Mater， Advance Science，ACS Nano，Angew. Chem. Int. Ed 等。
类伟巍教授，澳大利亚迪肯大学先进材料研究院（IFM）副教授，先进功能材料和等离子体技术研究组组长，博士生导师，2014年澳大利亚优秀青年学者，2022年澳大利亚未来学者。长期从事新型功能二维纳米材料和制备技术的研究工作，在二维功能材料，纳米复合材料，新能源环境材料器件等方面取得了一些列重要成果。迄今已在Joule，Nature Communications，J. Am. Chem. Soc，Angew. Chem. Int. Ed，Adv. Mater，Adv. Energy Mater，ACS Nano， Small，Nano Energy，ACS Energy Letter等本领域具有国际影响力的刊物上发表学术论文200余篇。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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