工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及頻繁發(fā)生的石油泄漏事對人類健康和生態(tài)環(huán)境造成了災難性難題，這與人類構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的社會趨勢背道而馳。因此開發(fā)一種從混合物中選擇性分離大量有機污染物或水的方法迫在眉睫。傳統(tǒng)的油水分離技術存在分離效率低、裝置復雜和成本高等缺點。近些年特殊超潤濕性的膜在油水分離中的應用引起了廣泛關注，但分離材料的可逆性、機械強度以及實際應用前景存在有待優(yōu)化之處。
為了解決以上難題，華南理工大學材料科學與工程學院寧成云教授團隊和中科院理化研究所周亞紅團隊設計了一種具有導電聚合物納米尖端陣列修飾的新型微/納米多孔膜，通過調(diào)節(jié)納米尖端的高度和氧化還原狀態(tài)可以得到具有超親水—超疏水轉(zhuǎn)化的智能分離膜，并且納米尖端水膜的形成增強了膜的滲透性，提高分離膜的分離效率，為智能分離膜的設計提供了新思路。該項成果以題為“Ultrafast and On-Demand Oil/Water Separation Membrane System Based on Conducting Polymer Nanotip Arrays”發(fā)表在《Nano letters》（見文后全文鏈接）。
【圖文解讀】
具有導電聚合物納米尖端的微/納米多孔膜的制備和原理：研究者通過電化學聚合將聚吡咯（PPy）和β-萘磺酸（NSA）納米尖端接枝在鈦網(wǎng)上，得到具有可逆電化學活性的膜。通過控制反應時間，可以得到納米尖端高度由49 ± 6 nm 變化到 529 ± 77 nm的分離膜，同時分離膜的潤濕性也得到一定程度的調(diào)節(jié)。
不同高度和化學狀態(tài)下的潤濕性：化學成分和表面粗糙度對材料的潤濕性具有重要作用，研究者發(fā)現(xiàn)在空氣中通過調(diào)節(jié)氧化還原電位可以實現(xiàn)從超疏水（137°）到超親水（0°）的轉(zhuǎn)變，當納米尖端高度達到348 nm時，薄膜表現(xiàn)出超潤濕性開關行為(接觸角大于150°或小于30°)，這一趨勢與微尺度陣列表面一致。
不同高度和化學狀態(tài)下膜的油水分離效率：膜潤濕性的變化表明材料具有用于油水分離的能力。油/水混合物可以超快選擇性地通過微/納米分離膜(圖3a、b)。多次循環(huán)的可逆分離效率高達97.3%。值得注意的是，膜的分離速度隨著納米尖端的高度而提高，納米尖端高度為529 nm的氧化膜的水通量為50326 L·m-2·h-1，傳送速率可以提高1.5倍。為了進一步研究分離過程的機理，改性膜的孔隙率與裸鈦網(wǎng)幾乎相同，因為聚合物刷處于納米尺度內(nèi)。聚合物刷改性后，薄膜的透氣性會隨著納米尖端的高度而直接增加，最終與裸鈦網(wǎng)的透氣性基本相同。
膜親疏水變化機理研究：由于在氧化還原過程中并未觀察到物理結(jié)構(gòu)的變化，研究者認為摻雜的NSA進入/流出納米尖端的運動主導了潤濕性的變化。在還原狀態(tài)下?lián)诫s粒子向聚合物鏈外移動，膜呈現(xiàn)親油/疏水性；當摻雜粒子在氧化狀態(tài)下進入聚合物鏈段，呈負電位，浸泡在水中，磺化酸基團趨向于溶于水，膜表現(xiàn)出親水性/疏油性。因此通過調(diào)節(jié)氧化還原狀態(tài)可以調(diào)控膜的親疏水性。
【小結(jié)】
綜上所述，研究者開發(fā)了一種實現(xiàn)潤濕性可逆切換和超快的油水分離膜。利用納米尖端的化學狀態(tài)和物理結(jié)構(gòu)來精確調(diào)節(jié)其潤濕性。納米尖端穩(wěn)定的水膜環(huán)境有利于增強膜的滲透性，有助于進一步認識表面潤濕性變化的內(nèi)在機理，為設計一種刺激性的油水分離功能膜提供了新思路。
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