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迪肯大學(xué)類(lèi)偉巍教授團(tuán)隊(duì) Adv. Funct. Mater.: 液相重組芳綸納米纖維助力超高通量納濾膜
2024-01-07  來(lái)源:高分子科技

芳綸納米纖維因其高機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性而成為有前景的有機(jī)納米結(jié)構(gòu)單元,被廣泛應(yīng)用于制造用于分離膜。然而,按現(xiàn)有方法制備的芳綸納米纖維通常直徑較小,導(dǎo)致形成的分離膜過(guò)于致密,限制了納濾膜的分離效率。



  近期,迪肯大學(xué)類(lèi)前沿材料研究院(IFM)類(lèi)偉巍教授研究團(tuán)隊(duì)成功的通過(guò)將二甲基甲酰胺作為二次去質(zhì)子化溶劑添加到二甲亞砜中以提供溫和的變形環(huán)境的方法,改良了現(xiàn)有的芳綸納米纖維的制備方法,將纖維直徑從納米級(jí)帶到了亞微米級(jí)。然后,通過(guò)調(diào)節(jié)改良的芳綸納米纖維溶液濃度用于制備具有更大孔徑分布和更高表面電荷的納濾膜。通過(guò)此方法制備的芳綸納米纖維納濾膜的水通量最高可達(dá)410 L m?2h?1bar?1, 比目前的商業(yè)納濾膜的水通量高了40倍有余同時(shí),得益于芳綸納米纖維的高機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性,使用此方法制備的納濾膜具有超穩(wěn)定納米通道, 4 至 10 的廣泛 pH 值范圍內(nèi)保持超過(guò) 194 L m?2h?1bar?1 的高水通量,并在超過(guò)120小時(shí)的測(cè)試中表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)效穩(wěn)定性。本工作研發(fā)的芳綸納米纖維變形方法提供了一種新的思路來(lái)調(diào)控芳綸納米纖維直徑分布,同時(shí)本文提供的膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打破了現(xiàn)有的納濾膜在滲透性和選擇性之間平衡點(diǎn),為設(shè)計(jì)下一代納濾膜提供了一種創(chuàng)新的方法。相關(guān)研究成果以Solvent-Induced Deformation of Aramid Nanofibers for Ultrahigh-Flux Nanofiltration Membranes 為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。馬宇熹為本文的第一作者,通訊作者為劉丹教授和類(lèi)偉巍教授。


  首先,通過(guò)改良傳統(tǒng)的芳綸納米纖維的制備方法, 將可于二甲亞砜互溶的非質(zhì)子溶劑二甲基甲酰胺混溶二甲亞砜溶液,同時(shí)保持氫氧化鉀飽和,來(lái)定向調(diào)控芳綸納米纖維的質(zhì)子化程度,從而影響芳綸納米纖維最終的直徑大小 (圖1a)。如圖1 b-d所示,本工作成功的將傳統(tǒng)芳綸納米纖維直徑從小于30納米增大到平均165納米,最小30納米最大350納米的正態(tài)分布曲線上。同時(shí),通過(guò)一系列表征,如FTIR,液相Raman XRD等,進(jìn)一步動(dòng)態(tài)揭示了變形過(guò)程中的氫鍵數(shù)量變化,以及帶來(lái)的芳綸納米纖維和所構(gòu)成的膜的結(jié)構(gòu)的變化。 


1.液相重組芳綸納米纖維的變形機(jī)理以及形貌結(jié)構(gòu)表征。


  除了液相重組芳綸納米纖維本身,液相重組芳綸納米纖維溶液濃度被調(diào)節(jié)利用來(lái)影響其納濾膜的形貌與結(jié)構(gòu)。通過(guò)增大膜分離孔道的直接分布和增強(qiáng)膜表面的負(fù)電帶電量,來(lái)進(jìn)一步設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)高通量的納濾膜。 


2. 原始和液相重組芳綸納米纖維納濾膜的形貌。 


3原始和液相重組芳綸納米纖維納濾膜的表面粗糙度,表面電荷和親疏水表征


  本工作所得到的一系列液相重組芳綸納米纖維納濾膜展現(xiàn)出了超高效率的對(duì)陰離子型染料分子的分離。通過(guò)進(jìn)一步的膜參數(shù)優(yōu)化與調(diào)節(jié),ANF-DMF-0.15膜平衡了分離性能和水通量,展現(xiàn)了超強(qiáng)的酸堿和長(zhǎng)效分離穩(wěn)定性。 


4液相重組芳綸納米纖維納濾膜的分離示意圖以及性能測(cè)試。


 5. 液相重組芳綸納米纖維納濾膜的穩(wěn)定性測(cè)試和性能比較。


  本工作不但提供了一種新的纖維直徑調(diào)控方法,而且成功使用的這一策略來(lái)設(shè)計(jì)和制造具有特定孔徑和表面電荷的高通量納濾膜。所得到的液相重組芳綸納米纖維納濾膜性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前所有基于芳綸納米纖維的傳統(tǒng)納濾膜以及目前使用的商業(yè)化納濾膜,展現(xiàn)出了極大的市場(chǎng)應(yīng)用前景,也為將來(lái)新一代的納濾膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的指導(dǎo)與思路。


  參考文獻(xiàn):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.

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202309722


作者簡(jiǎn)介

馬宇熹

馬宇熹,本科畢業(yè)于蘇州大學(xué),2021年至今在迪肯大學(xué)先進(jìn)材料研究院攻讀博士學(xué)位。就讀期間主要從事于二維材料以及芳綸納米纖維的剝離,分離膜的孔道調(diào)控和膜在水凈化以及可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用研究。在Advanced Functional Materials, Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Small, Journal of Environmental Chemical Engineering, Global Challenges等期刊共發(fā)表11篇文章。



劉丹教授

澳大利亞迪肯大學(xué)先進(jìn)材料研究院(IFM)副教授,博士生導(dǎo)師,2015年澳大利亞優(yōu)秀青年學(xué)者,2020年澳大利亞未來(lái)學(xué)者。主要致力于先進(jìn)二維納米材料和功能納米復(fù)合材料以及在新型納米濾膜,熱管理器件和新能源等應(yīng)用研究。近年來(lái)在本領(lǐng)域發(fā)表國(guó)際SCI論文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。



類(lèi)偉巍教授

澳大利亞迪肯大學(xué)先進(jìn)材料研究院(IFM)副教授,先進(jìn)功能材料和等離子體技術(shù)研究組組長(zhǎng),博士生導(dǎo)師,2014年澳大利亞優(yōu)秀青年學(xué)者,2022年澳大利亞未來(lái)學(xué)者。長(zhǎng)期從事新型功能二維納米材料和制備技術(shù)的研究工作,在二維功能材料,納米復(fù)合材料,新能源環(huán)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等本領(lǐng)域具有國(guó)際影響力的刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇。

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