功能基团链长调控共价有机框架膜层间协同效应及其海水淡化性能研究

为解决功能基团链长对COF膜脱盐性能影响机制不明的问题，研究人员通过分子动力学(MD)模拟系统研究了BDF-COF-An多层膜中链长与层数的协同效应。发现中长链体系(A4,A6)通过层间紧密堆积诱导纳米通道拓扑重构，动态调控水分子传输路径，揭示了链长增加导致水/离子通量非单调变化的规律，为COF膜设计提供了新思路。

　　

淡水资源短缺已成为21世纪人类社会高质量发展的重大挑战。尽管反渗透(RO)技术是目前最主流的淡化手段，但其核心膜材料仍面临渗透性与选择性难以兼得的瓶颈。近年来，共价有机框架(COF)材料因其可调控的孔径和易功能化特性，在膜分离领域展现出巨大潜力。然而，功能基团链长这一微观参数如何影响COF膜脱盐性能的机制尚不明确，这严重制约了高性能膜的精准设计。

针对这一科学问题，青岛农业大学刘庆志团队通过分子动力学模拟，系统研究了不同链长BDF-COF-An膜（A2/A4/A6分别含2/4/6个碳原子）的脱盐性能。研究采用包含0.599 mol/L NaCl溶液的进料侧、纯水渗透侧和石墨烯活塞的模拟体系，通过分析水渗透率、离子截留率、径向分布函数(RDF)等参数，揭示了链长与膜层数的协同作用规律。

水渗透率
研究发现双层膜中水渗透率随链长增加而降低，但存在有趣的(n+2)层A_n膜与n层A_n+2膜渗透率相近的"层-链互换"现象。这源于中长链(A4,A6)通过层间紧密堆积诱导纳米通道拓扑重构，形成动态水传输路径。

离子截留率
不同于传统认知，离子截留率并未随链长增加持续上升。A4膜因水/离子通量降幅差异展现出最优截留性能，8层A4和6层A6膜的脱盐性能超越传统RO膜。密度分布显示长链导致膜孔道内水分子滞留时间延长，增强了筛分效应。

结论与意义
该研究首次阐明了COF膜中功能基团链长与层数的非单调协同效应：中长链通过层间堆积重构纳米通道拓扑结构，动态调控传输路径；而截留性能取决于水/离子通量降幅的差异性。这些发现发表于《Journal of Membrane Science》，为开发"按需定制"的COF脱盐膜提供了理论基石，特别是8层A4膜的设计方案展现出工业化应用潜力。研究提出的"层-链互换"法则为多维膜参数优化开辟了新思路。