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学术快讯│m6米乐app官方下载赵强课题组在聚电解质膜领域取得新进展

作者:  发布:2022-06-16 17:39:49  点击量:


    油滴在水表面铺展成膜是18世纪中期发现的一个经典现象,启发了界面反应、Langmuir-Blodgett单分子膜等技术的诞生。与此相对,水溶性溶剂液滴与水接触时,并不能形成稳定界面,一般发生混溶而非铺展。采用高压电喷雾技术降低有机溶剂液滴的尺寸,可实现溶剂微液滴在水面上的铺展,表明相溶溶剂之间的动态界面可为分子组装和化学合成提供新平台(Huang et al., JACS 2015, 137, 10683.)。但如何更简易的实现大尺寸水溶液液滴在水表面的铺展仍是一个难题。

    

    近期,赵强教授课题组在《Nature Communications》在线刊发了该领域的新进展(Spontaneous water-on-water spreading of polyelectrolyte membranes inspired by skin formation, Nat. Commun. 13, 3227, 2022.),提出了一种聚电解质水溶液在水面自发铺展,形成多孔膜的机制。文章第一作者是m6米乐app官方下载2020届硕士毕业生汤思晗,合作单位包括m6米乐娱乐材料科学与工程学院,协和医院。研究得到国家自然科学基金,国家重点研发计划和三峡实验室开放基金的支持。

图1受皮肤分化过程启发的水-水铺展与聚电解质膜制备机制

    含有聚乙烯亚胺(PEI)和聚苯乙烯磺酸钠(PSSNa)的水溶液滴在水表面自发铺展成膜(图1,图2)。一般而言,水溶液液滴与水接触时首先发生向水中的扩散与混溶,而非铺展。为了抑制水-水扩散与混溶,作者设计了PEI-PSSNa和混合溶液,其pH为碱性。当该溶液液滴与酸性水接触时,水中含有的大量质子促使PEI高分子链上的氨基质子化,随后带正电的PEI与PSSNa在水-水界面上发生静电络合,有效抑制了溶液向水中的扩散与混溶。与此同时,PEI-PSSNa的表面张力比水低,液滴因此在水表面可自发铺展,而非混合。二者协同,促使了水溶液液滴在水面进行自发铺展。

图2 pH值对聚电解质多孔膜微观结构的调控


    该工作研究了表面张力和pH对聚电解质的组装行为和多孔膜微结构、宏观尺寸的影响(图3)。本方法无需表面活性剂或降低液滴尺寸,简化了水-水自发铺展和多孔膜的制备过程,适用于多种聚电解质和纳米材料,扩大了相溶界面材料组装的应用范围。通过该方法制备的多孔聚电解质-碳材料复合膜在1个太阳的照射下表现出优异的水蒸发脱盐性能(2.8 kg/m2h)。该工作提出了聚电解质水溶液在水表面自发铺展和组装成膜的新机制,为聚合物在界面自组装的微观结构调控以及在膜分离、脱盐等领域应用提供了新思路。

图3 表面张力对聚电解质水溶液在水表面铺展的影响

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