孔彪研究员/赵东元院士团队在超组装纳米纤维超薄膜研究取得突破

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为应对全球能源危机，利用功能材料获取存在于海水和河水之间的可持续盐度梯度能量已经引起了人们的广泛关注。为了将渗透能转化为电能，科学家们开发了许多具有纳米流体通道的膜材料。其中，介孔材料和纳米线材料是两类用于构筑膜器件的较为理性的基元材料。然而，传统膜成本高、制备工艺复杂、输出功率密度低等问题严重阻碍了其实际应用。此外，制备同时具有介孔及纳米线结构的介孔纳米线材料也是一个关键难题。

        过超组装策略制备可再生生物质衍生的功能材料，并将其应用于盐度梯度能量转化，已经引起了极大关注。近日，复旦大学孔彪研究员/赵东元院士联合浙江大学王勇教授报道了一种简单高效的超组装方法，成功地制备了由纳米纤维阵列组装而成的各向异性碳质有序介孔纳米线（CMWs）。并进一步基于有序介孔纳米线材料构筑了异质结构膜器件，该膜材料在渗透能捕获应用中表现出了智能的定向离子传输及能量转换性能。

         过进一步探究，作者提出了结构导向剂辅助的连续超组装机理，可将纳米纤维阵列组装为有序介孔纳米线。在PSSMA和TMB的辅助下，F127和核糖首先形成柱状胶束，随后柱状胶束进一步通过二维六方形式进行组装。随着反应的进行，较为亲水的核糖聚合为较为疏水的低聚物，低聚物倾向于从F127的PEO端向PPO端移动，同时在PPO端进行聚合。此外，新的柱状胶束通过“头对头”的方式在原纳米线上继续组装生长，最终得到了由纳米纤维阵列超组装而成的有序介孔纳米线材料。通过抽滤法得到的CMWs/AAO异质结构薄膜具有不对称的组分、表面电荷类型、孔道结构、润湿性，因此其具有智能离子传输性能及阳离子选择性。将CMWs/AAO异质结构膜用于盐差能转化应用时，该纳米流体器件在人工海水和河水中具有2.78 W m−2的高功率密度。
       这项工作提出了结构导向剂辅助的连续超组装策略，成功制备了由纳米纤维阵列组装的有序介孔纳米线材料。该策略简单高效，具有高产量、易于放大、易于调控尺寸等特性。此外，有序介孔纳米线材料可以进一步作为基元组装在AAO上构筑异质结构薄膜材料。由于具有新颖的结构、孔隙率和丰富的官能团，不对称CMWS/AAO异质结构膜具有良好的阳离子选择性。该工作有望为制备生物质衍生功能纳米线和杂化膜应用于可持续发电、水净化和海水淡化等领域铺平道路。
       相关研究工作日前以“Sequential Superassembly of Nanofiber Arrays to Carbonaceous Ordered Mesoporous Nanowires and Their Heterostructure Membranes for Osmotic Energy Conversion”为题发表于化学旗舰期刊Journal of the American Chemical Society上，该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
       全文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.1c00547


        文章来源：复旦大学
        孔彪，复旦大学研究员、博士生导师,中央组织部特聘专家，上海市特聘专家，曾任美国斯坦福大学、墨尔本大学博士后研究员。孔彪研究员博士毕业于澳大利亚Monash大学化学工程系，复旦大学化学系获工学与理学博士学位，国外博士毕业论文被学位委员会选为澳大利亚Monash大学优秀博士论文校长奖（全校工学部仅一名）。2015年4月起于墨尔本大学化学与生物分子工程系任专项博士后研究员，任职期间荣获澳大利亚“维多利亚学术之星”荣誉称号（每年仅评选出一名）。曾获中国分析测试协会科学技术奖(CAIA奖)一等奖、中国教育部“博士研究生学术新人奖”、“陶氏化学可持续发展创新奖”一等奖、上海市青少年发展创新市长奖、宝钢教育基金会特等奖（全国排名第一）。曾任澳大利亚Monash大学研究生会学术副主席，复旦大学-英国皇家化学会学生俱乐部首任主席，墨尔本国家公派学联常务委员会委员，兼任国家学联对外交流部部长，2015年作为主要发起人成立澳中科学家创业协会并任协会常务委员。现任澳大利亚工程师与高级工程师群体成员，复旦大学-英国皇家化学会学生俱乐部荣誉主席，澳大利亚博士沙龙执行委员，兼任秘书部部长，澳中科学家创业协会上海分会会长。
         赵东元,复旦大学教授，1963 年出生于沈阳市。1980年考入吉林大学化学系，1984年获得理学学士学位，1987年获吉林大学化学系理学硕士学位。1990年获吉林大学和大连化学物理研究所物理化学专业理学博士学位。1993 ~ 1994年在以色列魏兹曼科学院化学物理系做博士后。1995 ~ 1996年在美国休斯顿大学化学系做博士后。1996 ~ 1998年在美国加州大学圣芭芭拉分校材料系和化学系做博士后。1998年12月复旦大学教授；2000年入选教育部长江“特聘教授”，2007年被增选为中科院院士。2010年被增选为第三世界科学院（TWAS）院士。