Overcoming the trade-off in reverse osmosis membranes through homologous matching

单体 海水淡化 化学 分子动力学 界面聚合 聚酰胺 反渗透 三醋酸纤维素 正渗透 碳纤维 渗透力 纤维素 水处理 纳米技术 结垢 氢键 聚合物 纳滤 焊剂(冶金) 盐(化学) 聚合 微观结构 渗透 萃取(化学) 材料科学 水运 化学工程 过程(计算) 表征(材料科学) 生物分子 离子
作者
Xinyu Shao,Shiyu Lv,Xiang Qin,Fangchao Cheng,Dongying Hu,Yiqiang Wu,Xiaofei Xu,Shuangliang Zhao
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1038/s41467-026-69044-5
摘要

The development of cellulose triacetate (CTA)-based reverse osmosis membranes offers a sustainable approach to alleviating the global freshwater crisis, yet overcoming the inherent permeability-selectivity trade-off remains a significant challenge. Herein, we propose a homologous matching strategy to address the trade-off by incorporating carbon dots (M-CDs) derived from m-phenylenediamine (MPD) into the interfacial polymerization process between CTA and polyamide (PA). Systematic characterization and molecular dynamics simulations reveal that M-CDs, which are structurally analogous to the MPD monomer, promote monomer diffusion, regulate cross-linking density, and refine the microstructure of the PA layer. At an optimal M-CDs concentration, the resulting membrane achieves simultaneous enhancements in both salt rejection (99.1% vs. 96.5%) and water flux (18.3 vs. 15.2 L·m-2·h-1), thus surpassing conventional CTA membranes. The incorporation of M-CDs results in a thinner, denser, and more hydrophilic barrier layer with reduced pore size and narrowed distribution, as confirmed by post-annealing structural analysis. Moreover, hydrogen bonding between M-CDs and MPD improves chlorine resistance, maintaining high performance even after exposure to 2000 ppm NaClO solution. Molecular dynamics further illustrate that M-CDs promote water cluster transport while hindering ion penetration, thereby effectively mitigating the trade-off. The innovative use of homologous carbon dots to optimize the CTA-PA interface through structural matching, offering inspiring avenues for developing advanced bio-derived desalination technologies.
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