郑州大学朱军勇&同济大学夏圣骥&刘彦伶AFM| 分子缝合层状金属有机框架膜:同步增强水净化选择性与结构稳定性

研究背景

当前水体中新兴有机污染物（如全氟/多氟烷基物质，PFAS）及持久性毒害物的检出率持续攀升，对饮用水安全保障构成严峻挑战。下一代水处理膜技术亟需在复杂水质条件下同步实现高选择性与长效抗污染能力。二维层状金属–有机框架（2D MOF）膜因其规整的纳米通道与本征孔道可设计性，被视为突破传统纳滤性能瓶颈的理想平台。然而，其实际应用长期受限于两大结构性矛盾：一是纳米片间仅靠微弱静电与范德华力堆叠，在水相环境中极易发生层间滑移、溶胀甚至结构坍塌；二是缺陷控制难度大，难以在保障MOF高表面暴露的前提下精准构筑无缺陷传质通道。既有策略—如引入聚乙烯亚胺（PEI）或单宁酸等交联剂—虽能提升稳定性，却往往牺牲MOF本征孔道通透性与界面功能；而将MOF简单嵌入聚酰胺（PA）薄膜的复合模式，则导致MOF被包覆失活，同时加剧表面粗糙度与传质阻力。因此，关键不在于“是否复合”，而在于“如何复合”：必须在空间上精准限定PA的生成位置，使其成为强化层间连接的“分子缝合线”，而非覆盖功能表面的“致密封层”。

研究内容

本文提出一种分子缝合-界面聚合（MS-IP）新策略，以水稳定型Cu-TCPP二维纳米片为结构模板，通过调控哌嗪（PIP）单体在纳米片侧向间隙内的限域扩散与原位反应，定向构筑离散分布的PA纳米域，实现层状MOF膜的“边缘缝合”。该设计在不牺牲MOF表面活性的前提下，同步完成结构加固、通道调控与异质润湿界面构建。

重要研究内容与关键结果如下：

1.结构革新：PA纳米域精准锚定于Cu-TCPP纳米片侧缘，形成物理“分子缝合”，将松散堆叠转化为整体化分离层，层间距显著压缩，Na₂SO₄截留率从18%跃升至98%，MWCO由>500 Da锐减至287 Da；

2.界面重构：缝合结构自发形成微米尺度的亲/疏水交替表面，协同增强界面水合层稳定性—初始水接触角低至29.4°，60秒内降至5.1°，SFG谱证实强/弱氢键水分子密度同步提升；

3.性能突破：对9种PFAS实现>89%高效截留（MOF膜仅20–60%），水通量达25.6 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，显著优于同孔径TFNi膜（18.6 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹）；

4.抗污机制升级：水合层构筑高能垒，AFM测得BSA吸附力（30.6 nN）不足TFNi的一半；XDLVO理论计算显示其总界面作用能呈正向势垒，使污染物吸附由“自发”转为“热力学受阻”；

5.工程可靠性验证：在真实河水连续过滤30天后，通量衰减仅29.7%（TFNi达80.6%），且未检出铜离子浸出，证实结构完整性与饮水安全性兼具。

图文导读