纳米限域复合膜以支撑体中纳米孔道为硬模板，在其限域空间构建选择性分离层，不仅可以缩短分子的传质距离，且能够提高分离层与支撑体间的结合力，为获得高分离性能和稳定性复合膜提供了新的途径。北京工业大学安全福教授团队在Advanced Membranes期刊发表了题为“A review of nano-confined composite membranes fabricated inside the porous support”的综述，重点介绍了纳米限域复合膜的结构特点、制备方法、多孔支撑体的影响等最新进展，分析了所面临的挑战与发展前景（图1）。
图1. 本综述导览图
1. 背景介绍
近年来，由选择性分离层和多孔支撑层构成的复合膜发展迅速，其主要特征是在多孔支撑体上沉积具有选择性的无缺陷分离层。因此，复合膜的渗透性和选择性不仅取决于分离层，而且还受支撑体结构和性能的影响。充分利用多孔支撑体的孔道制备具有独特微观结构的复合膜是优化传质通道的有效方法。纳米限域复合膜利用多孔支撑体的孔道构筑选择分离层，在不牺牲膜的完整性和分离效率的前提下降低传质阻力，可以获得较高的分离性能和稳定性。2. 纳米限域复合膜结构特征
根据结构的不同，本文将复合膜分为4类：表面覆盖型、晶种嵌入型、孔填充型和垂直阵列型复合膜（图2）。本文所指的纳米限域复合膜主要包括后面三种利用支撑体孔道形成的复合膜。晶种嵌入型是将晶体锚定在支撑体的亚皮层孔道内形成具有无缺陷分离层的复合膜。孔填充型是在支撑体孔道内完全或部分填充聚合物或者纳米颗粒的复合膜。垂直阵列型则是将选择分离层材料规则地排列在支撑孔通道内形成的复合膜。
图2. 不同类型复合膜的结构：（a）表面覆盖型，（b）晶种嵌入型，（c）孔填充型，（d）垂直阵列型
3. 多孔支撑体对纳米限域复合膜的影响
基于纳米限域复合膜的结构特点，支撑体的孔道结构和孔壁化学性质对于复合膜的分离性能和稳定性具有重要的影响。主要的影响因素包括支撑体孔道的规整性、孔尺寸、开孔率、孔道形状和通道的连续性等，这些结构特征在不同程度上决定了所制备复合膜传质分离通道的数量、连续性、厚度等。此外，支撑体孔壁的活性基团可以增强分离层材料与支撑体的结合力，减少复合膜内部的界面缺陷，增强复合膜的稳定性。4. 纳米限域复合膜的制备方法
纳米限域复合膜的制备方法包括反向扩散法、界面反应法、原子层沉积法、界面聚合法、水热/溶剂热法、层层组装法、接枝聚合和动态过滤法等。本文总结了四种典型的纳米限域复合膜的制备方法（图3），并对其他制备方法进行了简要概述。针对不同的膜材料、膜结构和应用体系，可以采用不同的方法进行纳米限域复合膜的制备。
图3. 纳米限域复合膜的制备方法：（a）反向扩散法，（b）溶剂热法，（c）动态过滤法，（d）原子层沉积法
5. 纳米限域复合膜的稳定性
复合膜的稳定性是其应用过程中的一个重要问题，主要包括热稳定性、化学稳定性、机械强度、抗污染性等。在实际应用中，由于塑化、物理老化、污染和结构恶化等原因，分离膜的寿命会受到一定程度的影响。纳米限域复合膜中支撑体孔道的限域空间对分离层起到了一定的保护作用，增强了支撑体与分离层之间的结合力，提高了复合膜的机械强度，限制了溶剂对分离层的过度溶胀，减少了外部环境对分离层的影响，从而提高了复合膜的稳定性。6. 未来展望
现阶段纳米限域复合膜所面临的挑战和发展包含以下方面：1. 进一步开发可控的复合膜制备方法和精确的结构表征技术；
2. 分离层材料在限域空间中的生长和组装机理尚未见报道，膜制备过程中的 分子扩散和反应动力学是深入理解的关键问题；
3. 复合膜中纳米颗粒的形貌和生长的取向对分离性能的影响仍不明确；
4. 构建理论模型，深入理解分子和离子通过纳米限域复合膜的传质行为。
7. 文章信息
本文以“A review of nano-confined composite membranes fabricated inside the porous support”为题发表在Advanced Membranes期刊，第一作者为北京工业大学博士生王湘琼，博士生李晓婷、安全福教授为共同作者，通讯作者为北京工业大学王乃鑫副教授，该工作得到了国家自然科学基金（21776003, 22125801），北京市自然科学基金-北京市教委联合重点基金（KZ201910005001）和北京市高层次人才发展计划（CIT&TCD201904014）的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.advmem.2021.100005 (点击阅读原文获取全文）
引用格式：
X. Q. Wang, N. X. Wang, X. T. Li, Q. F. An, A review of nano-confined composite membranes fabricated inside the porous support. Adv. Membr. 1 (2021) 100005.
8. 作者简介
第一作者
王湘琼
王湘琼，2018年毕业于湖南理工学院应用化学专业，获学士学位。现就读于北京工业大学环境与生命学部，攻读博士学位。研究方向是多孔材料分离膜的制备和应用。
王乃鑫（副教授）
王乃鑫，北京工业大学环境与生命学部副教授、博士生导师。本科毕业于河北大学化学与环境科学学院，博士毕业于北京工业大学环境与能源工程学院。主要从事渗透汽化和纳滤膜材料的改性、膜组件的优化以及膜过程应用等研究。迄今已发表SCI学术论文40篇，他引总数2000余次，授权国家发明专利38项。获得了茅以升北京青年科技奖，中国石油与化学工业联合会科技进步一等奖（排名第2）和中国膜工业协会科学技术一等奖（排名第3）；入选了北京市科技新星和北京市青年拔尖人才培育计划；现任中国海洋学会海水淡化与水利用分会第二届青年专家委员会委员，《膜科学与技术》通讯编委，北京膜学会理事等。
安全福（教授）
安全福，北京工业大学环境与生命学部教授、博士生导师。博士毕业于浙江大学，台湾中原大学薄膜研究中心访问学者。主要从事面向能源环保的纳米基元分离膜的构建、膜组件及其应用研究。迄今已在Nat. Nanotechnol., Adv. Mater., J. Membr. Sci., Chem. Eng. J., J Mater. Chem. A等期刊发表SCI学术论文200余篇，授权国家发明专利58项，参与编写膜相关著作3部；获得浙江省自然科学一等奖（2/5）、中国膜科技中青年突出贡献专家和中国膜行业教育名师奖。国家自然科学基金委员会杰出青年基金项目（2021）等。现任Advanced Membranes和《膜科学与技术》编委，《Nanomaterials》客座编辑等。
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