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除石墨烯之外，常見(jiàn)的二維（2D）材料主要有以下五類(lèi)：MXenes、Xenes、Organic materials（有機(jī)材料）、TMD（過(guò)渡金屬二硫族化物）和Nitrides（氮化物）。其中，有機(jī)2D材料主要以2D金屬有機(jī)骨架（MOF）或共價(jià)有機(jī)骨架（COF）材料為主。通過(guò)超聲、離子交換等多種技術(shù)使層間作用力較弱的金屬有機(jī)多孔材料或共價(jià)有機(jī)骨架結(jié)構(gòu)分離瘦身，得到超薄2D片層結(jié)構(gòu)的有機(jī)材料。目前這類(lèi)2D材料被廣泛的研究，估計(jì)有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的相關(guān)文章被報(bào)道，更是多次登上Nature/Science及其子刊！

海水和微咸水以及工業(yè)廢水的淡化對(duì)于克服淡水短缺和減少環(huán)境影響至關(guān)重要。盡管膜蒸餾（MD）工藝需要高焓變化的水蒸發(fā)，但與可再生能源和高效潛熱回收系統(tǒng)集成的可以減少能量輸入，并使其與其他先進(jìn)的海水淡化技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng)，特別是在擁有低品位熱源的地區(qū)。在MD工藝中，水作為揮發(fā)性組分在膜的較熱進(jìn)料側(cè)蒸發(fā)，然后在氣相中通過(guò)膜孔擴(kuò)散，其具有較高的除鹽率、較低的水力壓力和處理高鹽度鹽水的能力。然而，MD膜還存在著逐漸潤(rùn)濕和滲透通量低的問(wèn)題，極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。為獲得高通量，需要大孔隙率、小彎曲度和超薄厚度以降低傳質(zhì)阻力，而良好的抗?jié)裥砸蟾呤杷?、小孔徑和無(wú)大孔隙結(jié)構(gòu)以防止水滲透。從分子水平來(lái)看，傳統(tǒng)的MD膜材料很難同時(shí)達(dá)到上述要求。

在2021年7月22日，北京理工大學(xué)王博教授和馮霄教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王奉超教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種利用共價(jià)有機(jī)骨架（COF）膜中的工程缺陷，通過(guò)去除亞胺鍵來(lái)制備由垂直排列的具有親水性梯度的通道組成的MD膜的可逆共價(jià)鍵策略。作者利用該策略，實(shí)現(xiàn)了沿著具有高分子取向的大面積COF膜中的垂直排列通道構(gòu)建潤(rùn)濕性變化。首先，作者制備了具有有序排列介孔和疏水通道的定向COF薄膜。在反向亞胺鍵形成反應(yīng)中，從表面到內(nèi)部逐漸發(fā)生，從親水到疏水的親水性梯度以及孔徑梯度同時(shí)實(shí)現(xiàn)。不同于具有3D連通性和長(zhǎng)擴(kuò)散路徑的傳統(tǒng)聚合物MD膜，缺陷工程二維（2D）COF膜具有不間斷的介孔隧道和潤(rùn)濕性變化，具有更好的海水淡化和凈化性能。在單個(gè)通道中的這種功能變化使得有選擇性的水傳輸途徑和精確的液-汽相變界面成為可能。支撐層上的COF膜除具有抗污染和抗?jié)櫇衲芰ν?，在絕對(duì)壓力為16 kPa、進(jìn)料溫度為85 ℃的條件下，膜通量為600 l m^-2 h^-1，幾乎是最先進(jìn)的用于海水淡化的MD膜的3倍。該研究結(jié)果將有助于分子篩梯度膜的發(fā)展。

綜上所述，在梯度2D COF膜中，沿各個(gè)通道設(shè)計(jì)的幾何形狀和功能變化定義并增強(qiáng)了整體功能。這些膜可以處理目前反滲透工藝中幾乎無(wú)法處理的高鹽度和高污染水，使其成為易于獲得廢熱源的MD水凈化和海水淡化的有希望的候選者。作者預(yù)計(jì)該策略與COF的豐富化學(xué)相結(jié)合，理論上在自下而上的合成膜中每單位面積具有最大數(shù)量的垂直排列通道，可能會(huì)促進(jìn)用于分子篩分、催化和發(fā)電的梯度膜的發(fā)展。

Hydrophilicity gradient in covalent organic frameworks for membrane distillation.Nature Materials, 2021, DOI: 10.1038/s41563-021-01052-w.