郑州大学朱军勇Nature Communications!!具有强化氢键网络的超微孔共价有机框架膜用于高效海水淡化

全球淡水资源的日益紧缺对海水淡化技术提出了更高要求。预计到本世纪中叶，全球人口将增长22%至34%，这将不可避免地加剧淡水需求与清洁水资源日益减少之间的矛盾。反渗透技术作为饮用水生产的主流膜技术，其早期发展主要集中于聚酰胺薄膜复合膜，该材料至今仍为工业标准。然而，这类膜材料在实现有序纳米结构和均一孔径分布方面存在固有挑战，难以突破渗透性与选择性之间的权衡瓶颈。共价有机框架材料作为通过有机单体定向共价组装形成的结晶多孔材料，具有规整的孔道结构、均一的孔径分布和高孔隙率等优势。但现有COF膜的孔径普遍过大（0.8-5纳米），且结晶度不足，这严重限制了其在海水淡化领域的应用。由于亚纳米级单价离子（裸离子直径1-3埃，水合离子直径6.5-8埃）能够轻易穿过这些孔道，实现高效脱盐成为COF膜面临的一项重大挑战。因此，开发具有超微孔结构和高结晶度的COF膜，以实现低压反渗透海水淡化，成为当前研究的重要方向。

在这项研究中，研究人员提出了一种氢键强化策略，用于制备结构稳定、具有超微孔结构的COF膜，以实现低压反渗透海水淡化。研究团队采用1,3,5-三甲酰基间苯三酚替代1,3,5-三甲酰基苯作为单体，与苯-1,3,5-三甲酰肼进行反应。这一替换使腙键连接发生烯醇-酮互变异构，形成热力学稳定的β-酮烯胺构型。该策略的关键在于酚羟基的合理引入，其不仅促进了分子内广泛的氢键网络形成，还通过层间氢键相互作用有效限制了分子旋转，从而诱导AB堆叠模式并显著提高膜的结晶度。实验结果表明，所制备的Tp-Bth COF膜在15 bar操作压力下实现了99.6%的氯化钠截留率和1.7 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹的水渗透通量，达到了工业应用标准（截留率≥95%）。此外，该膜表现出优异的耐酸性，在pH为3的溶液中浸泡30天后仍能保持初始性能。通过分子动力学模拟和密度泛函理论计算，研究人员进一步揭示了氢键网络对COF堆叠模式和孔径调控的分子机制，证实了强化氢键相互作用在构建超微孔结构中的关键作用。

该研究通过氢键强化策略成功制备了具有超微孔结构和高结晶度的COF膜，突破了传统COF膜孔径过大、结晶度不足的局限，实现了低压反渗透海水淡化的高效运行。研究结果表明，通过合理设计单体结构引入酚羟基，形成β-酮烯胺构型并构建强化氢键网络，能够有效调控COF的堆叠模式和孔道结构，从而获得兼具高水渗透性和高离子截留率的膜材料。该膜在15 bar低压条件下达到的99.6%氯化钠截留率和1.7 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹的水通量，满足了工业反渗透系统的性能要求，同时其优异的化学稳定性为实际应用提供了保障。这项工作不仅展示了一种通过氢键介导策略精确调控COF孔道结构的有效方法，也为下一代高性能海水淡化膜材料的设计提供了新的思路。未来，基于氢键工程化的COF膜有望在海水淡化、废水处理和水资源循环利用等领域发挥重要作用，为解决全球水资源短缺问题提供技术支撑。