哈工大邵路教授和成中军副研究员合作在水单通道Janus膜研究方面取得重要突破

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 近日，哈尔滨工业大学化工与化学学院、城市水资源与水环境国家重点实验室邵路教授课题组与基础与交叉科学研究院成中军副研究员等合作在水单通道Janus膜研究方面取得重要突破。成果在线发表于英国皇家化学会旗下期刊《材料视野》（Materials Horizons，最新影响因子10.706）。

面向环境、能源等领域应用的Janus膜是一个新兴概念，其一般具有不对称的结构或性质，由此赋予其特殊性能。水单通道Janus膜的两面具有截然不同的浸润特性，最终导致水滴在膜的横截面内具有单向通过性。邵路教授课题组基于商业化聚四氟乙烯（PTFE）/聚对苯二甲酸乙二酯（PET）复合膜的独特结构和疏水特性，巧妙地设计了一种制备多功能Janus膜的简便方法——涂覆/剥离法（Coating and Peeling）。该方法具有制备方法简单、可与各种功能改性方法耦合等优点，从而制备出多功能性的复合微滤膜，并且通过改变涂层的功能性可实现多功能Janus膜的个性化订制，具有广泛的商业应用前景。

图1. 水单通道Janus膜的制备及应用示意图

图2. 水单通道Janus膜的SEM，水接触角，制备过程示意及数码照片

a）Janus膜制备前后的SEM图片

b）Janus膜制备前后的接触角变化

c）Janus膜制备过程的示意及数码照片

d-f）Janus膜顶面两种不同类型的表面

g）Janus膜顶面和底面接触角照片

图3. Janus膜的水单通道行为，机理解释，收集油面水滴，无损运输及机理解释

a）Janus膜的水单通道行为

b）水单通道行为的可能机理解释

c）Janus小船收集油面水滴，无损运输

d）无损运输的可能机理解释

图4. 磁性Janus膜的SEM，XPS，接触角

a-d）磁性Janus膜的SEM 

e）磁性Janus膜制备前后的XPS

f）磁性Janus膜的接触角

图5. 磁性Janus膜的SEM，染料吸附性能，制备的小船图片，收集和净化印染废水

a-b）磁性Janus膜的SEM 

c）磁性Janus膜的染料吸附性能

d）磁性Janus膜制备的小船的照片

e）磁性Janus小船收集和净化印染废水视频截图

图6. pH响应Janus膜的接触角，pH响应的单通道性能示意及视频截图

a）羧基终端的11-巯基十一烷酸的分子式

b）不同pH值下Janus膜两面的接触角

c-d）磁性Janus膜的pH响应的单通道性能示意及视频截图

研究人员利用该方法，分别得到了具备磁性和染料吸附性能的和具备pH响应性的水单通道Janus膜。其中，用具备磁性和染料吸附性能的Janus膜制备的小船不但可以在磁场控制下实现对油面上水滴的选择性收集，还可原位净化收集的水滴，同时由于Janus膜对水滴的单向通过性，该多功能Janus小船还可实现对收集水滴的空中无损运输，从而不会“竹篮打水一场空”；所得pH响应膜可以在普通疏水膜和Janus膜之间转换，因此pH响应Janus膜在保留Janus膜对水的单向通过性的同时，还可实现对水滴的进一步控制，可用于设计特殊的开关反应装置。该成果的研究思路将为Janus膜材料的发展提供理论与实践借鉴，同时多功能Janus膜的制备将推动Janus膜从科学概念向实用商品化材料的转化。

邵路教授和成中军副研究员为该研究论文的通讯作者，邵路教授团队的博士研究生王振兴和杨晓彬为该论文的共同第一作者。该项目受到国家自然科学基金委、城市水资源与水环境国家重点实验室以及环境与生态创新专项基金等项目支持。

论文链接：

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/mh/c7mh00216e#!divAbstract

资料来源：哈尔滨工业大学、材料人

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