二维超分子聚合物分离膜的应用

　　近些年来，膜分离技术凭借其高的分离效率和选择性，以及低能耗等优点，在污水处理和海水淡化、燃料电池、化工分离等领域展现出巨大的应用前景。以共价有机框架材料（COFs）为代表的二维多孔材料因其具有可控的多孔性和化学功能，能够实现有效的纳米级分离，成为了制备高性能分离膜的新希望。然而，通过稳定的共价键合成得到的COFs在形成大面积且结构规整的薄膜时，表现出许多固有的缺点，比如不溶不熔、无序取向、宏观结构缺陷等等。这些因素导致COFs无法解决膜的渗透性和选择性之间长期存在的“trade-off”挑战。 

　　针对膜材料在结构设计和功能化上存在的关键问题，香港大学化学系任咏华团队通过超分子自组装手段，设计并合成了一种新颖的蜂窝状二维超分子聚合物。利用简单的溶液铸膜法，研究人员成功开发出负载于聚碳酸酯滤膜上的结构高度取向的超分子组装复合膜。因其较薄的厚度，该膜表现出快速的渗透速度。此外，该膜的功能具有多样性，不仅可以对特定的贵金属铂二价离子进行高效选择性吸附，还能够在亚纳米尺寸下实现纳米粒子的精确选择筛分，体现了“一膜多用”的功效！ 

　　　　图：基于蜂窝状二维超分子聚合物分离膜的应用示意图 

　　从废水中回收贵金属铂是一项兼具环保和经济价值的任务。目前，能够实现针对铂的高选择性是非常困难的，因为它与钯、金、银等其他贵金属具有某些相似的化学性质。作者所制备的二维超分子聚合物是由带正电的三联吡啶铂配合物组装形成，显示出独特的“铂···铂”非共价键相互作用。正是凭借这类铂自身的相互作用和静电吸引，四氯铂酸根阴离子会很容易在过滤中被超分子聚合物膜捕获；相反，其他金属离子会非选择性地快速渗透通过膜孔，最终实现对铂的高效分离回收。在上述工作基础上，研究人员还进一步探索了该膜材料对于不同纳米尺寸粒子的分离。由于二维超分子聚合物内存在均一且平行取向的纳米空腔，该复合膜在截止尺寸约4.0nm精度上显示出高的尺寸选择性。理论上讲，该膜可分离的粒子种类是不限的，包括量子点、贵金属和金属氧化物。研究人员结合该超分子膜和过滤分离，不仅仅提高了纳米粒子的红光发光纯度和尺寸单分散性，而且还能够快速去除难以被磁体捕获的较小磁性粒子吸附剂，从而扩展了它们在许多领域中的潜在应用。 

　　以上研究工作得到了北京同步辐射装置1W2A-小角X射线散射实验站和1W1A-漫散射实验站的大力支持，对超分子材料在粉末和薄膜中的结构表征分别提供了充足的小角散射和掠入射衍射实验证据。以上相关成果分别发表在2019年7月的《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. 141, 11204–11211 (2019)）和2019年12月的德国《应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201913621）上。

 　发表文章： 

　　1. Zhen Chen, Alan Kwun-Wa Chan, Victor Chun-Hei Wong, and Vivian Wing-Wah Yam*. A Supramolecular Strategy toward an Efficient and Selective Capture of Platinum(II) Complexes. J. Am. Chem. Soc. 141, 11204–11211 (2019).

　　2. Zhen Chen and Vivian Wing-Wah Yam*. Precise Size-Selective Sieving of Nanoparticles Using a Highly Oriented Two-Dimensional Supramolecular Polymer. Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201913621