近日，我院张亚雷教授团队在《Nature Communications》发表题为“Nanofiller-confined spatial fluctuation in monomer diffusion synthesizing ultrafast reverse osmosis membranes driven by hydrogen-bonding networks”的研究论文。该研究揭示了通过调控单体空间扩散来控制聚酰胺（PA）层结构与表面拓扑形貌的新机制，为精确控制界面聚合（IP）过程、突破反渗透（RO）膜性能瓶颈提供了新的见解和途径。
薄膜复合膜是解决全球水资源短缺、实现水资源可持续利用的关键技术之一，但其水渗透性与选择性之间长期存在着“trade-off”效应，这严重制约了RO技术的能效与规模化应用。本研究提出了一种全新的调控机制，通过在IP过程中引入木质素磺酸钠改性层状双氢氧化物（LDH-SL）复合纳米填料，实现了对单体扩散的“空间波动”调控。
图1.LDH-SL纳米填料在PA层生长中的机制
研究团队结合分子动力学模拟和实验验证发现LDH-SL纳米填料展现出关键的双重作用：其在“水-有机”界面富集，形成自由能局部最小值，从而促进单体的跨界面扩散；同时，其在有机体相中分散，通过空间位阻效应抑制单体的传质。这种在界面促进、在体相抑制的“空间波动”调控机制，诱发了非均相的聚合反应动力学，最终形成了超薄且高度褶皱的PA层。得益于此独特结构，优化的RO膜表现出卓越的分离性能：水渗透性高达4.00 LMH·bar-1，同时保持99.4%的NaCl截留率，成功突破了“trade-off”上限。
进一步的机理探究表明，LDH-SL纳米填料所引入的磺酸基（-SO3-）与水分子可构筑强大的氢键网络，从而显著强化了水分子的跨膜传输速率。
图2.LDH-SL纳米填料在水传输中的机制研究
我院2023级博士生林若昀和赵祺鹏研究员为论文的共同第一作者，我院褚华强教授、阿卜杜拉国王科技大学Xu Jiang博士、哈尔滨工业大学邵路教授和我院张亚雷教授为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金等项目资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64959-x
