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Turing Membranes Regulated by Intermolecular Hydrogen Bonding for Molecular Sieving

分子间力 氢键 图灵 化学物理 材料科学 化学 纳米技术 分子 高分子科学 计算机科学 生物化学 有机化学 程序设计语言
作者
Pengjia Dou,Linghao Liu,Qian Sun,Daijun Meng,Jingcheng Du,Ayan Yao,Xuan Ding,Ali A. AL-Thuraya,Jiangtao Liu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (24): 22442-22453 被引量:35
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c06521
摘要

Membrane technology has garnered broad concern for its high process efficiency. This study presents an approach to control the microstructure and permselectivity of nanofiltration (NF) membranes by incorporating 18-crown-6 (18C6) or diaza-18-crown-6 (DA18C6). The hydrogen-bonding interactions between crown ethers and piperazine (PIP) decelerate the PIP diffusion during interfacial polymerization, forming thinner polyamide (PA) layers. Furthermore, the constrained PIP diffusion amplifies the differential diffusion kinetics between PIP and trimesoyl chloride, triggering diffusion-driven instability that generates nanoscale striped Turing patterns on the membrane surface. Computational analysis reveals DA18C6’s stronger hydrogen-bonding interactions with PIP compared to 18C6, resulting in its superior diffusion inhibition capability. Increasing hydrogen bond density or strength enhances the inhibitory effect of crown ethers on PIP diffusion and facilitates more distinct Turing structures. The crown ether-incorporated PA layers exhibit improved hydrophilicity and microporosity. Benefiting from the optimized physicochemical properties, the modified NF membrane exhibits noticeably enhanced water permeance while sustaining high Na 2 SO 4 rejection. A 115% increase in water permeance is achieved with DA18C6 regulation. Particularly, DA18C6-regulated membranes demonstrate narrowed pore size distribution for precise molecular sieving. This work presents a straightforward strategy utilizing crown ethers for fine-tuning the membrane microstructure and provides fundamental insights into diffusion-mediated membrane fabrication.
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