由吉春、李勇进：多级孔结构的构筑及其在解决“Trade-off”效应中应用的最新进展

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多孔材料在分离领域具有广泛的应用，通量和截留率是评价其分离性能的两个重要参数。一般来说，增大孔径可以提高分离通量，同时导致截留率的降低；相反，更小的孔径对应高截留率和低通量。这就是膜分离领域众所周知的“Trade-off”效应。为克服上述效应，杭州师范大学由吉春教授联合中科院长春应化所丁明明副研究员，提出了新的解决方案，即构建孤立微米圆形孔与连续狭长纳米孔相结合的多级孔结构。

图1单级孔薄膜与“海岛”多级孔薄膜内的传质情况模拟

      一方面，有限元模拟结果显示，流体在单级孔薄膜（图1 A-B）与多级孔薄膜（图1 C-D）中传质情况具有明显差异，孤立圆孔的存在可以显著缩短传质路径，降低传质势垒，使孤立圆孔之间的流速明显加快。与单级孔薄膜相比，多级孔薄膜的通量可以获得近两倍的提高。另一方面，基于课题组前期发展的“基于结晶排出模板制备多孔材料策略”（ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 12, 6946; Polymer 2018, 142, 48等），研究者采用PVDF/PMMA/PLLA三元共混体系，利用PVDF/PMMA与PLLA之间的相分离构建前者为海相，后者为岛相的“海岛”结构，并在PVDF/PMMA海相中，通过PVDF结晶过程中将PMMA排出的效应，获得二者的纳米级双连续结构，最后，通过选择性溶剂（氯仿）刻蚀，同时去除PLLA及PMMA，成功制备了孤立圆形微米孔和连续狭长纳米孔相结合的多级孔薄膜（图2）。

图2 多级孔制备策略（A）与所得结构SEM图

      通过该策略备的多级孔薄膜具有良好的力学性能，强度可达6MPa（图3 A），相比于单级孔薄膜，其通量可由101.9 L m-2h-1提升至213.7 L m-2h-1，与模拟结果吻合。同时，该薄膜可以保持较高的截留效率（图3B）；压汞结果显示多级孔薄膜对应更低的压入压强，表明孤立圆孔具有降低传质势垒的作用（图3 C）；

图3 单级孔薄膜与“海岛”多级孔薄膜的力学性能（A）、分离性能（B-C）

图4 “海岛”多级孔薄膜分离性能提升机理示意图

       如图4所示，由于微米级圆形孔呈孤立状态，仅在缩短传质路径，降低传质势垒中发挥作用，薄膜的截留率仍由连续的纳米狭长孔提供，因此该多级孔薄膜能够在保持高截留效率的同时，大幅提升通量。
       以上研究成果近期以“Hierarchically porous membranes with isolated-round-pores connected by narrow-nanopores: A novel solution for trade-off effect in separation”为题发表于Journal of Membrane Science (2020,604, 118040)。该工作的第一作者为杭州师范大学硕士生王佳耀，通讯作者为杭州师范大学由吉春教授，有限元模拟由中科院长春应化所丁明明副研究员合作完成，该工作获得了国家自然科学基金(51973048)的支持。
       原文链接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118040


       文章来源：杭州师范大学
       由吉春，男，1978年出生，理学博士。2002年7月毕业于吉林大学，获工学学士学位。2008年7月于中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室获得理学博士学位。2008年8月到2009年2月在中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室任助理研究员。2009年3月到2010年12月在德国Max-Planck Institute for Polymer Research从事博士后研究工作。2011年1月起到杭州师范大学材料与化学化工学院工作，主要研究兴趣为高分子表界面相行为及其在材料设计中的应用。目前主持国家自然科学基金项目两项，作为主要参与人参与浙江省杰出青年基金一项以及多项横向课题。