水簇跨膜传输的结构转化规律与高选择性纳滤膜材料

离子在纳米尺度孔道内将出现超快速传输、超高选择性等独特的理化行为，有效利用该现象在纳米流体、环境、生物、能源及新材料等领域潜力巨大。由于缺乏合适的原位表征技术，对离子在纳米孔道内水合结构转变与调控机制的认识较为有限，团队基于微流控过滤-原位液体飞行时间二次离子质谱表征技术，首次实现了典型离子（Li⁺, Na⁺, K⁺, F^-, Cl^-和Br^-等）在聚酰胺纳米通道内脱水合行为差异的原位解析（J.Am.Chem.Soc，2021）。揭示了脱水合驱动的离子跨膜选择性微观机制，发现典型一价阳离子和一价阴离子的选择性分别由水合结构动态变化强化的孔径筛分和静电排斥作用两种机制主导（Sci Adv，2023；ACS Nano 2023)。团队据此开发系列基于水合离子/水团簇与膜孔结构匹配的高通量、高选择性功能纳滤膜材料（Environ. Sci. Technol.，2024；ACS Nano，2024），在保持高截盐的同时，水通量是现有商业膜材料的5倍以上，突破了现有膜分离选择性/渗透性Trade-off上限。所提出的机制可以扩展到其他与水合结构密切相关的离子传输过程，弥补了现阶段对限域传输现象认知的不足，为限域传输领域提供了重要的科学基础。

水簇跨膜传输的原位表征方法与高选择性纳滤膜材料设计。a 微流控过滤-飞行时间二次离子质谱表征技术；b 脱水合驱动的离子跨膜选择性机制；c 水合离子/水团簇与膜孔结构匹配的功能膜材料