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哈工大邵路教授團(tuán)隊(duì)2023年科研成果集錦
2024-02-11  來源：高分子科技

  哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院邵路教授入選國(guó)家級(jí)高層次人才（特聘教授）、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士（FRSC）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)國(guó)合項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，任npj Clean Water ( Nature 合作期刊）副主編、Journal of Membrane Science編委、中國(guó)化工學(xué)會(huì)分子辨識(shí)分離工程專委會(huì)委員等職。邵路教授在高通量低碳環(huán)保分離膜方向進(jìn)行了二十余年系統(tǒng)研究，研究團(tuán)隊(duì)2023年在碳捕集膜、納濾膜、多孔膜改性方向主要成果包括Science (1篇，唯一通訊）、Nature Communications (2篇)、Science Advances （1篇）、Angewandte Chemie International Edition (2篇)、Advanced Materials (1篇)、Engineering（2篇）、Science Bulletin（1篇）等。


  邵路教授主頁：http://homepage.hit.edu.cn/shaolu?lang=zh 


  邵路教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)年招收優(yōu)秀生源“快速響應(yīng)”博士生，隨時(shí)申報(bào)，每月進(jìn)行一批！具體要求見：http://yzb.hit.edu.cn/2023/0609/c8824a313710/page.htm 


  1、Science：《冰限域合成高度離子化三維準(zhǔn)層狀聚酰胺納濾膜》（Ice-confined synthesis of highly ionized 3D-quasilayered polyamide nanofiltration membranes）



  傳統(tǒng)的聚酰胺（PA）納濾膜選擇層在多孔載體上通過界面聚合（IP）形成。由于在界面聚合形成PA過程中，有機(jī)胺和酰氯的聚合反應(yīng)速率比胺在有機(jī)相溶液中的擴(kuò)散速率快，這種不受控制的擴(kuò)散和快速聚合形成了具有多尺度、孔徑不均一的PA選擇層，因此，通過傳統(tǒng)擴(kuò)散主導(dǎo)的界面聚合難以實(shí)現(xiàn)理想的納濾膜結(jié)構(gòu)。


  邵路教授團(tuán)隊(duì)利用冰/水相變過程可有效控制單體在受限界面“冰”相中的擴(kuò)散，從而調(diào)控界面處單體反應(yīng)，單體可通過先前形成的大孔層狀結(jié)構(gòu)的間隙/孔道進(jìn)一步反應(yīng)，形成具有獨(dú)特物化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的選擇層。通過實(shí)驗(yàn)和理論研究，團(tuán)隊(duì)證實(shí)了“冰限域”在納濾膜界面聚合過程中，對(duì)聚酰胺功能層結(jié)構(gòu)形成的特殊作用，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定了合成納濾膜的三維準(zhǔn)層狀褶皺結(jié)構(gòu)及其離子化程度。與在常規(guī)水/正己烷界面形成的具有致密非均相結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)商用聚酰胺納濾膜相比，“冰限域”界面聚合合成的納濾膜具有獨(dú)特的高度離子化三維準(zhǔn)層狀褶皺結(jié)構(gòu)，該獨(dú)特結(jié)構(gòu)賦予新型納濾膜優(yōu)異的鹽分離效果和一/二價(jià)陰離子篩分性能，可高效過濾納米/亞納米級(jí)小分子和離子物質(zhì)。 



  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi9531 


2、Nature Communications :《多功能多酚焊接推動(dòng)高效膜法碳捕集》（Boosting Membrane Carbon Capture via Multifaceted Polyphenol-mediated Soldering）



  近年來，全球碳排放迅速增加，大氣中的二氧化碳含量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄水平，環(huán)境問題日益凸顯。在此嚴(yán)峻形勢(shì)下，我國(guó)提出碳達(dá)峰、碳中和的氣候目標(biāo)。高效的碳捕獲技術(shù)是減少碳排放和二氧化碳進(jìn)一步催化轉(zhuǎn)化的前提和基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。氣體膜分離技術(shù)因其低成本且易操作的優(yōu)勢(shì)對(duì)碳捕集產(chǎn)業(yè)發(fā)展、緩解全球氣候變化具有重要意義。
邵路教授團(tuán)隊(duì)在該工作中率先提出多酚分子焊接策略完美結(jié)合了有機(jī)聚合物和無機(jī)多孔材料的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物鏈、金屬有機(jī)框架結(jié)構(gòu)以及兩相界面的精準(zhǔn)調(diào)控。多酚的特殊粘附性導(dǎo)致自具微孔聚合物鏈的僵化以及堆積密度的增加，提高其篩分能力；中空的金屬有機(jī)框架結(jié)構(gòu)減少其傳質(zhì)阻力，改善氣體滲透性。不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)互相協(xié)同，打破傳統(tǒng)聚合物材料中氣體滲透性與選擇性此消彼長(zhǎng)的限制。 



  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37479-9 


  3、Nature Communication：《防止高粘度原油遷移聚積的超親水膜表面調(diào)控》（Surface manipulation for prevention of migratory viscous crude oil fouling in superhydrophilic membranes） 



  海上原油泄漏和工業(yè)含油廢液排放對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成巨大威脅，嚴(yán)重破壞全球水-食物-能源鏈條。合成制備超親水和水下超疏油高性能分離材料是實(shí)現(xiàn)油水分離的有效策略，已在含油廢水處理中得到應(yīng)用。其分離原理是，依靠材料的超親水性，讓水可以順利通過材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，在材料表面形成水化層，以阻止油的通過。微孔和高比表面積所產(chǎn)生的毛細(xì)力可產(chǎn)生破乳作用，有利于乳液與水分離。然而，現(xiàn)有親水改性方法雖能賦予分離膜一定程度的抗污染性能，但依然無法實(shí)現(xiàn)抗高粘性原油和原油水乳液的高效分離。其根本原因在于，傳統(tǒng)的“被動(dòng)抗污染”機(jī)理難以實(shí)現(xiàn)膜表面厚實(shí)穩(wěn)定的水合層以及在油分子與膜表面沒有足夠的空間位阻，不足以產(chǎn)生抵御高粘性原油污染的能力。


  針對(duì)此難題，邵路教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具有“主動(dòng)抗污染”新機(jī)理的超親水微濾膜，通過模擬天然大麗花葉片成分和結(jié)構(gòu)在微濾膜表面構(gòu)筑特殊的迷宮型褶皺微球，增加膜表面與水分子的接觸面積，協(xié)同增強(qiáng)膜表面的水合層和空間位阻效應(yīng)，獲得了新型油水分離膜。同時(shí)，新型超親水膜在死端過濾和錯(cuò)流過濾多種表面活性劑穩(wěn)定的油水乳液時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較高的分離通量和極低衰減速率。新型分離膜具有超強(qiáng)抗原油污染能力，能抵御高粘性原油的初始粘附、遷移和聚集。該研究提出的新思路也可應(yīng)用于抗油織物等多種高性能材料的合成制備，具有普適性。 



  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38419-3 


  4、Angewandte Chemie International Edition：《精密離子分離用雙機(jī)理驅(qū)動(dòng)超快滲透氧化石墨烯框架膜》（Ultra-Permeable Dual-Mechanism-Driven Graphene Oxide Framework Membranes for Precision Ion Separations） 



  水資源短缺是危及人類社會(huì)安全、制約可持續(xù)發(fā)展的世界性難題。開發(fā)出高效水處理用分離膜材料是緩解這一重大危機(jī)的關(guān)鍵性舉措之一。二維材料氧化石墨烯（GO）組裝形成的分離膜具備區(qū)別于傳統(tǒng)分離膜的高效傳質(zhì)/分離通道結(jié)構(gòu)，有望突破目前的分離膜滲透選擇性上限，是構(gòu)筑新一代高性能分離膜的理想材料。然而，氧化石墨烯膜較差的離子選擇性和水中穩(wěn)定性一直是制約其走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵性難題。


  針對(duì)此難題，邵路教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了新方法，構(gòu)筑雙機(jī)理驅(qū)動(dòng)的氧化石墨烯復(fù)合膜。通過“后部”界面聚合，在氧化石墨烯膜中構(gòu)筑特定的聚酰胺交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并賦予分離膜表面正電性，從而協(xié)同增強(qiáng)氧化石墨烯膜對(duì)金屬離子的尺寸篩分和靜電排斥能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水中金屬離子的高效去除。得益于電荷排斥效應(yīng)和尺寸篩分效應(yīng)的協(xié)同作用，該研究所制備的新型氧化石墨烯復(fù)合框架膜在具備高滲透性的同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的離子選擇性。同時(shí)，合成的新型氧化石墨烯框架膜具有穩(wěn)定性高、抗污染能力強(qiáng)和長(zhǎng)期使用性能優(yōu)異的特點(diǎn)。 



  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202302931


  5、Angewandte Chemie International Edition：《超高滲透性凝膠膜助力高效碳捕集》（Ultrapermeable Gel Membranes Enabling Superior Carbon Capture） 



  全球碳排放量的迅速增加，使得大氣中的二氧化碳含量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的水平，由此引發(fā)的氣候環(huán)境問題日益頻繁和嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅著人類的生存和發(fā)展。在這樣的背景下，我國(guó)政府提出了“碳達(dá)峰”和“碳中和”的莊嚴(yán)承諾。高效的碳捕獲技術(shù)，作為減少碳排放和二氧化碳進(jìn)一步催化轉(zhuǎn)化的前提和基礎(chǔ)，無疑是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵所在。氣體膜分離技術(shù)以其低成本且易于操作的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于碳捕集產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及緩解全球氣候變化具有重大意義。其中，基于親CO2類聚氧乙烯（PEO）基材料在CO2/N2、CO2/H2等輕質(zhì)氣體分離過程中表現(xiàn)出極大的潛力。然而，PEO基聚且保持了其良好的選擇性，實(shí)現(xiàn)了高效的氣體分離。制備得到以POSS交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為凝膠基質(zhì)，液態(tài)PEO小分子為凝膠介質(zhì)的新型凝膠結(jié)構(gòu)PEO膜，凝膠結(jié)構(gòu)融合了固態(tài)聚合物的高穩(wěn)定性以及液態(tài)小分子的高滲透性的優(yōu)勢(shì)，成功調(diào)控了分離膜的微觀結(jié)構(gòu)，得到具有超高自由體積特性的PEO基凝膠膜，有效強(qiáng)化氣體在膜內(nèi)的擴(kuò)散過程。 



  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202315607


  6、Advanced Materials：《前生命化學(xué)啟發(fā)礦化制備原位催化清潔膜》（Engineering in situ catalytic cleaning membrane via prebiotic-chemistry-inspired mineralization） 



  壓力驅(qū)動(dòng)膜工藝在低碳廢水處理和水凈化中發(fā)揮著越來越重要的作用，它們與人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。污染物在膜/水溶液界面的吸附引起的膜污染限制了膜組件和設(shè)備的有效和持久運(yùn)行。因此，膜污染及防治一直是分離膜行業(yè)的痛點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。膜污染后通常需要將膜片從分離設(shè)備中移出進(jìn)行離線非原位清洗，但意味著顯著的經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)成本。而催化清潔膜憑借有效的環(huán)境刺激響應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的排斥和降解，為原位減輕膜污染提供了巨大的應(yīng)用潛力。然而，在綠色溫和條件下構(gòu)建高效催化清潔膜方面仍然存在巨大挑戰(zhàn)，特別是基于廣泛使用的惰性疏水聚合物分離膜。本文通過在氨基丙二腈生命起源小分子聚合過程中原位加入金屬離子引入離子耦合作用可以明顯增強(qiáng)后續(xù)介導(dǎo)金屬氧化物的礦化效果，在室溫水溶液體系中成功構(gòu)筑催化清潔分離膜。與沒有離子耦合作用介導(dǎo)合成的對(duì)照組礦化改性膜相比，離子耦合介導(dǎo)礦化合成的改性膜具有致密的微納結(jié)構(gòu)。該合成制備過程綠色、溫和、普適，可在室溫水溶液體系中進(jìn)行。 



  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202306626


  7、Science Advances：《用于超快油水分離的可生物降解靜電紡絲超親水納纖維膜》（Biodegradable electrospinning superhydrophilic nanofiber membranes for ultrafast oil-water separation） 



  通過構(gòu)造聚乳酸和聚氧化乙烯水凝膠的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，并控制靜電紡絲參數(shù)并設(shè)計(jì)非對(duì)稱膜結(jié)構(gòu)，得到了高滲透通量、高分離效率且可生物降解的超親水聚乳酸納米纖維膜。聚氧化乙烯水凝膠的使用使膜表面與水分子之間形成的氫鍵數(shù)量增加了357.6 %，這將聚乳酸基疏水膜轉(zhuǎn)化為超親水膜，防止了膜污染并加速了乳化液通過膜的滲透。該研究中所提出的新策略為聚合物油水分離膜的制備提供新思路，具有廣闊的應(yīng)用前景。在分離性能上，所制備的超疏水納米纖維膜對(duì)含有表面活性劑的水包正辛烷乳液有著優(yōu)異的分離性能。其中，H-PLA-AS膜對(duì)于水包正辛烷乳液分離的滲透通量為2.1×104 L?m-2?h-1?bar-1，分離效率高于99.6%，明顯優(yōu)于大多數(shù)現(xiàn)有的油水分離膜。并且，該膜在水溶液中能夠形成大量氫鍵，將蛋白酶K存在下的生物降解速率有效提高30%以上，推動(dòng)了膜分離技術(shù)在應(yīng)用中的高效化和綠色化發(fā)展。 



  原文鏈接：ttps://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8195


  8、Engineering：《一步法合成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的超高PEO負(fù)載的親二氧化碳膜以增強(qiáng)碳捕獲》（One-Step Synthesis of Structurally Stable CO2-Philic Membranes with Ultra-High PEO Loading for Enhanced Carbon Capture） 



  膜技術(shù)被認(rèn)為是一種有前景的碳捕獲策略，以緩解大氣中二氧化碳水平的增加所帶來的影響，因?yàn)橛H二氧化碳膜顯示出了巨大的應(yīng)用潛力，特別是在CO2/輕氣體分離方面。在這方面，具有代表性的親CO2材料聚環(huán)氧乙烷(PEO)因其與CO2的特異性偶極-四極相互作用而引起了廣泛的研究關(guān)注。在這里，我們報(bào)告了一種簡(jiǎn)單的一步合成方案，通過高柔性聚乙二醇原位聚合來克服PEO的局限性，包括高結(jié)晶度和較差的機(jī)械強(qiáng)度。短PEO鏈與聚合物基質(zhì)之間的復(fù)雜糾纏使其具有極高的線性聚乙二醇負(fù)載(高達(dá)90 wt%)。因此，分離性能很容易超過上限。此外，高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性允許在高進(jìn)料壓力(高達(dá)20 bar (1 bar = 105 Pa))下同時(shí)提高CO2滲透率和CO2/H2選擇性。這項(xiàng)研究提供了一種同時(shí)改善全聚合物膜的韌性和氣體分離性能的有前景的策略，展示了工業(yè)碳捕獲和氣體凈化的巨大潛力。 



  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809922002892


  9、Engineering：《用于離子分離的Janus帶電結(jié)構(gòu)的單價(jià)陽離子交換膜》（Monovalent Cation Exchange Membranes with Janus Charged Structure for Ion Separation） 



  設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的方法來構(gòu)建一種具有Janus電荷結(jié)構(gòu)的新型M-CEM，由帶正電荷的三聚酸/聚乙烯亞胺表面薄層和帶負(fù)電荷的商業(yè)陽離子交換膜(CEM)組成。電透析結(jié)果表明，Janus荷電的M-CEMs可以有效地抑制多孔CEMs中經(jīng)常發(fā)生的陰離子遷移，從而使新型Janus荷電的M-CEMs具有高的perm選擇性和高的總陽離子通量。與最新的M-CEM相比，Janus荷電的M-CEM對(duì)Na+/Mg2+的選擇性最高，達(dá)到了145.77，超過了當(dāng)代的“上限”，對(duì)Li+/Mg2+的選擇性也達(dá)到了14.11，表明了其在離子分離方面的巨大潛力。這項(xiàng)研究可以為設(shè)計(jì)Janus荷電的M-CEMs提供新的見解，用于在不同的環(huán)境和能源應(yīng)用中進(jìn)行離子分離。 



  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809922000133 


  10、Science Bulletin：《亞納米孔道調(diào)控構(gòu)筑高效耐酸超薄分子篩分膜》（Unprecedented acid-tolerant ultrathin membranes with finely tuned sub-nanopores for energetic-efficient molecular sieving） 



  工業(yè)排放的含有多價(jià)金屬離子和有毒染料的酸性廢水對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和公眾健康構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。高效、環(huán)保、可持續(xù)凈化的納濾技術(shù)由于其合適的孔徑（0.5 nm 到 2 nm）被認(rèn)為是處理酸性廢水的理想技術(shù)。其中聚氨酯基（PU）材料由于其相對(duì)惰性的結(jié)構(gòu)特征和較高的氫鍵度，表現(xiàn)出良好的耐溶劑性、機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性，在耐酸納濾方面表現(xiàn)出良好的前景。然而，在傳統(tǒng)界面聚合方法制備聚氨酯選擇層的過程中，由于劇烈的縮合反應(yīng)速率選擇層孔徑分布不均勻；此外，異氰酸酯容易與水相體系發(fā)生副反應(yīng)，產(chǎn)生小分子胺和二氧化碳破壞選擇層完整性。因此需要更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間和更厚的選擇層以實(shí)現(xiàn)精確的篩分作用，從而導(dǎo)致了通量和篩分效果之間不可避免的“trade-off” 難題。


  邵路教授團(tuán)隊(duì)率先提出以多酚單寧酸（TA）作為限速的親核試劑與二異氰酸酯進(jìn)行界面縮合，并通過簡(jiǎn)單的溶劑交換步驟減少缺陷，制備了孔徑均勻且選擇層厚度僅為10 nm的超薄聚氨酯選擇層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和密度泛函理論（DFT）模擬揭示了單寧酸中酚羥基與異氰酸酯之間動(dòng)力學(xué)控制的親核加成縮合反應(yīng)在調(diào)節(jié)聚氨酯膜的選擇層厚度和孔徑方面的關(guān)鍵作用。制備的新型聚氨酯復(fù)合納濾膜在通量提高的同時(shí)顯著增強(qiáng)了對(duì)各種染料和重金屬離子的篩分性能，成功突破了傳統(tǒng)聚合物分離膜的“trade-off”瓶頸問題。此外新型聚氨酯復(fù)合膜的高度交聯(lián)結(jié)構(gòu)使其能夠在強(qiáng)酸條件下穩(wěn)定運(yùn)行500小時(shí)以上，在環(huán)境修復(fù)和資源回收利用等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。 



  原文鏈接：https://www.sciengine.com/SB/doi/10.1016/j.scib.2022.12.021
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（責(zé)任編輯：xu）
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