综述：通过界面聚合制备的用于液体分离的聚合物膜的形态调控

《Desalination》：Modulating morphology of polymeric membranes formed by interfacial polymerization for liquid separation

　　- 调控聚合物膜形貌在膜分离中的优势已被总结。- 聚合物膜可调形貌的理论已建立。- 已讨论了聚合物膜构建过程中的调控方法。- 这些聚合物膜在液体分离中有多种应用。## 引言人口爆炸和工业化造成的水资源短缺和污染给全球经济和可持续发展带来了巨大挑战[1], [2], [3]。膜方法以其高效和成熟的工艺，已发展成为一种主导的分离技术[4], [5], [6], [7], [8]。值得注意的是，通过界面聚合制备的聚合物复合膜，包括反渗透（RO）膜和纳滤（NF）膜，因其优异的浓缩性能而被广泛应用于水处理[9], [10], [11], [12], [13], [14]。然而，膜中渗透性-选择性固有的权衡效应仍然是实现上述目标的主要障碍，使其成为研究人员追求突破的目标[15], [16], [17], [18]。活性层的厚度和材料的微孔性已被研究以探索其对膜性能的影响。值得注意的是，表面形貌已被证明对这些性能有显著影响[19], [20], [21]。研究表明，褶皱或粗糙表面可以提供更有效的透水面积，使膜具有更高的渗透通量[22], [23], [24]。具体来说，比表面积得到增强并形成了足够的纳米级孔隙，旨在使更多的溶质/水在聚酰胺致密层上进行交叉流质量传递，从而提高单位面积的水渗透通量[25], [26], [27]。理想情况下，在无缺陷的褶皱聚酰胺致密层中形成的高度有序的纳米级空隙可以合理地优化水传输路径，从而提供超越传统聚合物膜渗透性上限曲线的可能性[28]。此外，调控光滑表面也已被广泛研究；这些膜由于其均匀光滑的上表面而表现出优异的抗污染性能。从这个角度来看，调控通过界面聚合（IP）形成的聚合物膜的形貌用于液体分离是迫切而重要的[29], [30], [31]。由于通过IP工艺形成的聚合物膜在最近几年迅速成为合成膜的前景候选者，一些关于聚合物膜制备和应用的综述已经发表。然而，每篇综述都有其自己的关注点。Benes等人[32]回顾了IP中采用的化学方法，讨论了由此产生的材料类别的利弊，并评估了通过IP合成超薄活性膜的前景。次年，Wang等人[33]总结了IP在制备方法和应用领域方面的最新进展。此外，Gohil等人[34]回顾了使用IP技术的薄膜复合（TFC）膜，并介绍了其发展历史。此外，Tang等人[35]批判性地审视了薄膜纳米复合中间层（TFNi）膜的最新进展，并讨论了其潜在的基本准则。随后，Wang等人[36]进一步聚焦于界面聚合的历史与聚合物化学发展的关系，并详细阐述了界面聚合在聚合类型方面的最新进展。最近，Jason Niu等人[22]全面分析了这些近期工作，从材料组成、制备方法和设计应用等方面讨论了不同中间层的功能。此外，Elimelech等人[37]首先简要介绍了海水分离膜的性能改进历史，并指出了当前TFC膜面临的主要困难。随后，他们讨论了基于界面聚合的改进膜渗透性的新型制备策略的优缺点。聚合物膜的优势在于其超快速和高效率的分子分离能力。这个快速发展的研究领域已经达到了一个关键阶段，需要一篇综述来总结最新进展、新兴趋势和新的机遇。然而，据我们所知，迄今为止尚没有及时的综述专门聚焦于以调控聚合物膜形貌为结构构建块。因此，本综述试图提出关于朝向定制化可调节结构聚合物膜的最新突破性发展的批判性概述。将重点介绍具有可调表面形貌的先进聚合物膜，以及相关的制备方法和使用它们的应用。此外，还将讨论这些膜的当前挑战和未来前景。设计具有可调表面形貌的聚合物膜对于与环境和能源相关的分子/离子分离过程至关重要，例如水处理和手性分离，这将激发对新的高性能分离膜的积极探索[38], [39], [40], [41]。通过聚合物膜实现的分子分离/传输/储存从膜分离扩展到生物医学应用、传感器、气体储存、超级电容器和燃料电池等其他多种领域[42], [43], [44]。近期关于具有调控形貌的聚合物膜的研究受到了广泛关注，但迄今为止，尚无专门聚焦于这一新兴领域的相关综述文章。因此，本综述将对具有可调表面形貌的先进聚合物膜的形形成机制进行概述，以及相关的制备方法和使用它们的应用。还将提供这些膜的发展、挑战和前景。主要聚焦于以下方面：调控聚合物膜形貌在膜分离中的优势；聚合物膜可调形貌的理论；聚合物膜构建中的调控方法；这些聚合物膜在水处理、有机溶剂纳滤、渗透汽化和手性分离中的多样化应用；结构可调聚合物膜设计中的挑战和未来方向。本综述重点介绍了聚合物膜的调控方法，这将激励研究人员通过探索新的纳米级定制方法来开发高性能分子筛膜[45], [46], [47]。在本综述中，"膜结构"一词专门指通过界面聚合方法形成的聚合物活性层的表面形貌，包括皱纹、脊谷结构、纳米条纹图案、叶片状凸起和光滑形貌等可观察的几何特征，以及由表面波纹引起的有效面积变化。需要注意的是，本综述中讨论的形貌控制不包括活性层的内部孔隙结构或膜的整体厚度。## 章节片段### IP膜的形形成机制界面聚合的本质是控制聚合过程，在两种不混溶相的界面上，在多孔基底上形成聚合物网络（图1a）[31]。在此过程中，含有二胺（如哌嗪，PIP）的水相单体扩散至水/有机界面，并与含有酰氯单体（如均苯三甲酰氯，TMC）的有机溶液接触，从而产生聚合形成无缺陷的### IP纳米薄膜的形貌控制方法作为一个复杂的过程，IP过程中纳米薄膜的形成受许多因素控制，特别是反应组分的化学性质和合成条件[72], [73], [74]。PA膜的生长分为两种动力学模式：初始膜和扩散限制生长。在第一阶段，聚酰胺活性层形成连续的、无缺陷的初始薄膜。在此过程中，聚合反应瞬间发生，产生### IP纳米薄膜在液体分离中的应用膜技术已被广泛应用于液体分离。然而，传统膜通常面临渗透性和选择性低的问题，导致运行成本高。具有可调表面形貌的聚合物膜的进展催生了结合更高渗透性和选择性的TFC/TFN膜[128], [129], [130], [131]。### 展望和挑战尽管近年来取得了一些进展，但围绕界面聚合分离膜的众多概念性困难和技术障碍仍需克服。近年来，虽然IP技术在制备分离膜方面取得了显著进展，包括使用有机相单体进行低压辅助聚合，在水相中添加表面活性剂或纳米材料来调节扩散行为，引入### CRediT作者贡献声明**韩双桥：** 撰写–初稿，资源，方法论，资金获取，概念化。**陶雪琪：** 撰写–初稿，方法论。**李锐：** 资金获取，概念化。**王慧贤：** 资源，方法论。**佟于萍：** 监督，资源。**张雅涛：** 撰写–审稿与编辑，监督，资源，概念化。### 利益冲突声明作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。### 致谢本研究得到**国家自然科学基金**（编号：22408094）、**河南省科技研究项目**（编号：262102321056和252102320177）、**河南省自然科学基金**（第二批）（编号：252300423713）的支持。韩双桥|陶雪琪|李锐|王慧贤|佟于萍|张雅涛