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2021年08月09日
中国科大在纳米限域传质研究取得新进展

近日,我校工程科学学院近代力学系计算力学实验室与北京理工大学化学与化工学院王博教授研究团队开展合作,在纳米限域传质研究中取得了重要进展,研究成果发表在Nature Materials上。

限域传质主要研究受限在纳米通道中的水、离子、气体等介质输运的动力学行为。限域传质的相关研究在能源、环境、健康等领域具有重要应用背景,近年来得到了科学界、工程界和工业界的广泛关注。纳米尺度下,界面效应占主导,受限液体具有不同于宏观尺度的结构和输运特性,传统的连续介质力学模型不再适用,学术界目前仍缺乏统一的认识和普遍认可的理论模型。我校计算力学实验室长期致力于探究限域传质的微观力学机理。该团队在分子尺度分析了纳米通道中的蒸发增强现象,从自由能角度解释了界面层蒸发速率高的原因,并建立了蒸发驱动纳通道液体流动的力学模型,研究成果以“Evaporation-driven liquid flow through nanochannels”为题发表在流体力学领域国际知名期刊Physics of Fluids上。

图1纳米通道中蒸发速率的尺寸相关性及其微观力学机理

基于限域传质机制的分离膜及膜蒸馏在处理高浓度、高污染盐水和利用工业废热等低品位热以及太阳能、地热能方面具有巨大优势,是解决全球淡水危机的有效途径。然而,传统聚合物疏水膜通量低且存在膜污染和膜浸润等问题,严重限制了膜蒸馏技术的进一步发展。

北京理工大学王博教授研究团队以具有规整贯穿纳米孔道的二维共价有机框架(Covalent organic frameworks,COFs)薄膜为基础,通过引入竞争性可逆共价键合策略,制备了孔道大小和孔内亲疏水环境随深度梯度变化的COFs薄膜,实现了超高通量膜蒸馏海水淡化,而且可以保持优异的稳定性。

我校计算力学实验室研究团队之前提出的蒸发驱动纳通道液体流动力学模型有效地解释了COFs薄膜超高通量的原因,其内在机理主要是限域蒸发增强效应以及缩短的蒸汽扩散路径。理论模拟进一步研究发现,孔内固液界面处液体层的蒸发能垒低于液汽界面中心处的蒸发能垒,导致水在纳米限域孔道中的蒸发量增加,并且蒸发速率表现出与尺寸相关特性,即孔径越小,蒸发速率越快。此外,通过竞争性可逆共价键合策略,孔道在润湿性梯度作用下呈部分浸润状态,显著缩短了水蒸气的扩散长度,降低了扩散阻力。模拟研究还发现,在水蒸气界面和盐溶液界面之间出现了一个纯水层间隙,这防止了离子与孔壁或蒸发界面的直接接触,而且在限域环境中孔壁的表面电荷对盐浓度有抑制作用,有助于防止盐结晶,使得COFs膜具有优异的抗浸润性。

合作研究成果以“Hydrophilicity gradient in covalent organic frameworks for membrane distillation”为题发表在Nature Materials上。北京理工大学赵爽、蒋成浩以及我校博士后范竞存为论文共同第一作者,北京理工大学冯霄教授、我校王奉超特任教授以及北京理工大学王博教授为论文通讯作者。

图2 COFs薄膜的结构表征;孔道示意图;

纳米限域蒸发增强效应;孔道抗浸润性机理

COFs膜具有高孔隙率、周期性的开放孔道及可功能化等特点,为新一代膜蒸馏技术的发展带来了契机。该研究利用COFs薄膜限域纳米孔道中水蒸发的增强效应,实现了超高通量膜蒸馏海水淡化,颠覆了对膜蒸馏膜材料需要大孔径孔道的传统认知,为开发下一代高性能膜蒸馏分离膜提供了理论支持。

在以上研究中,我校计算力学实验室研究团队得到了中科院B类先导专项,国家自然科学基金和中科院青促会的资助。


论文链接:

https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5137803

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01052-w


(中国科学院材料力学行为和设计重点实验室、工程科学学院、科研部)

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