《自然》子刊 Nature Communications 近日在线发表了一项关于高性能分离膜的突破性研究成果，题为 “Nanoimprinted polyamide membranes for ultrafast and precise molecular sieving with low fouling”（纳米压印聚酰胺耐污染膜实现超快精准分子筛分）。该研究由我校与多所国际顶尖科研机构深度合作完成，我校环境科学与工程学院和长江流域多介质污染协同控制湖北省重点实验室作为论文第一单位，联合比利时鲁汶大学、澳大利亚蒙纳士大学等世界一流研究机构开展了卓有成效的跨国合作。靳鹏瑞、杨钊为论文共同第一作者，我校环境学院杨家宽教授、袁书珊教授、澳大利亚蒙纳士大学王焕庭院士共同担任通讯作者。

论文DOI：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64262-9

成果简介

研究结果表明，该方法可在保持纳米级结构精度的同时显著提升膜的渗透性能与分离选择性。制备的聚酰胺纳滤膜表现出高通量、高选择性与优异抗污染性能，其中Cl⁻/SO₄²⁻选择性达到45，突破了传统聚酰胺膜中“通量—选择性”权衡的限制。分子动力学模拟结果进一步揭示了凯夫拉支撑层的限域扩散作用可有效降低单体扩散速率，从而实现界面聚合过程的空间均质化与分离层孔径分布的精准调控。此外，研究团队还提出将纳米压印技术与卷对卷（R2R）工艺相结合的工业放大方案，可实现高通量、大面积膜表面微纳结构复制，为分离膜的规模化生产与可持续制造提供了新路径。

图文导读

随着高纯化工、药物精制和海水淡化等行业的快速发展，纳滤膜分离技术因高效、节能和绿色可持续的优势，已成为实现精确分离与资源回收的重要手段。然而，传统聚酰胺复合膜存在通量与选择性难以兼顾的瓶颈，制约其在高端分离领域的应用。界面聚合作为聚酰胺膜的主要制备方法，可构筑超薄活性层和优异选择性，但受制于基底不均与单体扩散不稳定，难以形成均质可控的分离层。尽管通过调节反应条件或引入助剂可部分改善结构性能，但其可控性和重现性仍有限。近年来，基于纳米结构模板的空间约束与孔径调控为提升膜性能提供了新思路，但加工复杂、调节精度不足等问题依然存在。为此，亟需建立膜表面形貌设计与界面反应调控相结合的协同策略，以实现聚酰胺膜的高性能构筑与稳定运行。

图1 合成柱状图案TFC膜的方法示意图。 a–a2：Kevlar基底表面形貌的SEM图像，展示不同放大倍数下的顶部结构；插图为柱状结构的高倍视图。 b–b2：P-PIP-TMC膜的SEM图像，显示（b）表面与（b1, b2）不同倍数下的截面形貌；插图为柱状结构高倍视图。 c–c2：P-MPD-TMC膜的SEM图像，确认成功制备柱状图案TFC膜。

针对上述需求，研究团队提出了纳米压印相转化结合凯夫拉基底的限域界面聚合的策略：先以微电子光刻制备孔阵列硅模，并通过纳米压印将柱状图案复制到高孔隙率的凯夫拉水凝胶支撑层；凯夫拉的刚性骨架与强氢键可在相转化过程中保持图案稳定，为后续界面聚合提供均一模板。随后通过控制二胺单体的蒸发与扩散，驱动其与TMC在柱阵表面/间隙处均匀反应，形成与基底高度匹配的聚酰胺活性层。得益于柱状微纳结构的表面积放大与限域扩散效应，PIP-TMC 膜呈现锐利柱缘与褶皱侧面，MPD-TMC 膜则更为圆滑，两者有效渗透面积分别提升约 20.3% 与 16.4%，为后续高通量与精准筛分奠定基础。

图2 具有均匀孔径分布的超薄聚酰胺纳米膜表征。 a：从基底剥离并转移至氧化铝载体上的聚酰胺纳米膜（F-PIP-TMC）的SEM表面与截面图像。 b：硅片上聚酰胺纳米膜（F-PIP-TMC）的AFM高度图像及对应线扫描高度剖面。 c：F-PIP-TMC膜截面的TEM图像。 d：F-PIP-TMC与P-PIP-TMC聚酰胺纳米膜的XPS谱图及元素组成（插图）。 e：对非电荷模型溶质的截留率；插图显示由截留曲线推导的聚酰胺纳米膜孔径分布。 f：F-PIP-TMC与P-PIP-TMC膜的表面Zeta电位。 g：有/无Kevlar系统中PIP分子的均方位移曲线。 h：两系统界面处PIP分子的最终数量。 i：有/无Kevlar系统中PIP分子的数量密度分布。 j：界面处PIP分子数量随时间的变化。

进一步表征显示，剥离后的独立聚酰胺层结构均匀且超薄：PIP-TMC膜厚度约15纳米，MPD-TMC膜约60纳米，较低的交联度有助于提升水通量。分子量截留与孔径分析表明，该膜孔径分布集中在约0.36–0.37纳米之间，尺寸恰位于水合Cl⁻与SO₄²⁻离子之间，可实现精确的离子识别与分离。膜表面富含羧基，在pH > 3时带强负电，从而增强对SO₄²⁻的静电排斥，提高Cl⁻/SO₄²⁻分离选择性。采用分子动力学（MD）模拟结果进一步揭示，凯夫拉纳米纤维网络在界面聚合中产生显著的限域效应，可有效降低胺类单体在界面处的扩散速率，使反应区域更集中，形成结构致密、孔径分布更均一的聚酰胺层。这一限域扩散调控机制是实现膜高通量与高选择性协同提升的关键所在。

图3 具有优化水传输路径的平坦与图案膜的纳滤与抗污染性能。 a：F-PIP-TMC与P-PIP-TMC膜对不同盐溶液的水通量与截留率变化。 b：本膜与前沿纳滤膜在Cl⁻/SO₄²⁻选择性与水通量之间的权衡比较。 c：不同基底上水传输路径示意图对比。 d：抗污染测试中平坦与图案膜的CLSM图像。 e：抑制污染物沉积的湍流诱导机制示意图。 f：平坦与图案膜表面剪切应力分布及图案膜附近流速剖面

性能测试结果显示，柱状图案化的PIP-TMC膜在保持高选择性的同时，实现了显著的渗透性能提升。其水通量达到 53.9 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，较平面膜提高约 26%，并保持 98% Na₂SO₄ 截留率，实现了高通量与高截留的兼顾。值得注意的是，该膜的 Cl⁻/SO₄²⁻ 选择性达 45，已超过多数已报道的聚酰胺纳滤膜，展现出优异的离子筛分能力。图案化微纳结构在运行过程中能有效扰动流场，增强表面剪切与湍流效应，从而减少牛血清蛋白和腐殖酸等污染物的附着，显著改善了膜的抗污染与运行稳定性。

图4 用于精准分子筛分的有机溶剂纳滤性能。 a：平坦与图案膜（MPD-TMC）对不同溶剂的渗透通量与黏度关系。 b：P-MPD-TMC膜在不同压力下的甲醇通量。 c：F-MPD-TMC与P-MPD-TMC膜对染料的截留率。 d：本膜与文献报道膜在甲醇通量与选择性方面的对比。 e：膜分离纯化索拉非尼的示意图。 f：API产物的HPLC紫外吸收谱图。 g：图案膜与商业膜在浓缩索拉非尼过程中的甲醇通量随时间变化。 h：图案膜中索拉非尼浓度随时间的变化。

在有机溶剂纳滤（OSN）体系中，MPD-TMC图案化膜同样表现出优异性能。该膜在甲醇中的通量达到 31.3 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，较平面膜提升约 16%，同时保持了相应的截留分子量（MWCO），兼具高通量与高分离精度。在药物分子分离实验中，该膜能够高效区分靶向抗癌药物索拉非尼（Sorafenib）及其前体化合物CTPI，实现了对活性组分的精准筛分与富集。与商业膜相比，其浓缩效率提升约一个数量级，显著增强了有机体系中复杂分子的分离能力，展现出在药物纯化与高值化合物提取领域的广阔应用潜力。

图5 卷对卷制造纳米压印膜的示意图。

为了进一步提升纳米压印技术的制造效率与工业适用性，研究团队在此基础上提出了将纳米压印工艺与卷对卷（R2R）技术相结合的创新工业化放大方案。该策略通过引入柔性模具与连续化压印装置，能够在保持纳米级结构精度的同时，实现高通量、大面积的膜表面微纳结构复制，显著提升制备效率与产品一致性，为分离膜的规模化生产与可持续制造提供了新的技术路径。

本工作依托我校环境学院杨家宽袁书珊教授团队，杨家宽教授团队长期致力于资源循环、污染控制与低碳评价相关研究，依托于长江流域多介质污染协同控制湖北省重点实验室、固废处理处理处置与资源化湖北省工程实验室、煤燃烧国家重点实验室等科研平台，在国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金重点项目和面上项目等课题的支持下，近年来先后在Nature Geoscience、Nature Cities和Nature Communications等发表了多篇高水平论文。