以下文章来源于研之成理 ，作者王绍宇

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▲第一作者：王绍宇    

通讯作者：任燕雄博士，何光伟研究员，姜忠义教授论文DOI：10.1002/adfm.202300386

物质绿色创造与制造海河实验室、天津大学化工学院姜忠义团队提出一种聚电解质介导组装（Polyelectrolyte-Mediated Assembly，PMA）策略，用以制备超薄共价有机框架膜，实现CO₂/N₂高效分离。PMA策略可扩展至其他聚电解质和二维材料，为超薄2D纳米片膜的可控制备提供了新路径。

研究成果以“ Ultrathin ionic COF Membrane via Polyelectrolyte-Mediated Assembly for Efficient CO₂ Separation ” 为题发表在Advanced Functional Materials上。

01 全文速览
姜忠义课题组提出一种聚电解质介导组装（Polyelectrolyte-Mediated Assembly，PMA）策略，用以制备超薄共价有机框架（Covalent Organic Framework，COF）膜，实现CO₂/N₂高效分离。将聚乙烯亚胺（PEI）和COF纳米片溶液进行物理共混，阳离子PEI可介导阴离子COF纳米片的组装行为。通过调节PEI的构象、质子化程度和含量，由小尺寸COF纳米片制备出横纵比超过10000的COF@PEI纳米片。得益于COF@PEI纳米片优异的成膜性和机械性能，膜厚度可低至8 nm，与细胞膜厚度相当。膜的CO₂渗透通量为1371 GPU，CO₂/N₂混合气选择性为33。PMA策略可扩展至其他聚电解质和二维材料，为超薄2D纳米片膜的可控制备提供了新路径。
02 背景介绍
碳捕集技术作为应对全球气候变化的重要技术途径之一，受到世界各国的广泛关注。共价有机框架（Covalent Organic Framework, COF）是一类新兴的晶态多孔聚合物，具有孔隙率高、孔道规整有序、物理/化学结构丰富以及稳定性良好等特点，在精密分子分离领域具有巨大的应用潜力。由于缺乏对界面反应和异相成核的精密控制，目前制备的COF纳米片通常尺寸很小，成膜性差、膜强度低，为保证膜的无缺陷和足够强度，目前制备的COF膜的厚度通常超过100 nm甚至1 μm。随着膜厚的增加，分子的跨膜传质阻力显著上升，渗透通量大幅下降。因此，开发无缺陷、厚度小于100 nm的COF膜是一个迫切的挑战。
具有高横纵比的大尺寸纳米片是构筑超薄膜的理想单元，因为其具有优异的堆叠特性和可加工性。目前，通过自上而下的剥离或自下而上的直接生长可获得COF纳米片，但所制备的COF纳米片尺寸和横纵比均有限，难以进一步加工成超薄膜。因此，迫切需要简便、直接的方法实现高质量、大尺寸COF纳米片的合成。
03 本文亮点
（1）首次提出聚电解质介导组装（PMA）策略。通过PEI溶液与iCOF溶液的物理共混，PEI可桥接iCOF纳米片形成大尺寸、高横纵比的iCOF@PEI组装体，进而制备超薄COF膜。（2）所制备的纳米片横向尺寸超过40 μm，横纵比超过10000。相应的COF膜厚度可降至8 nm，是目前最薄的COF分离膜。同时，该COF膜展现出1371 GPU的CO₂通量和33的CO₂/N₂混合气选择性。（3）系统地探究了PEI的构象、质子化程度和含量对组装过程和膜结构的影响，进而指导膜结构的调控及分离性能的强化。本研究提出的PMA策略可推广至其他聚电解质和二维材料，对二维材料超薄膜的制备具有重要借鉴意义。
04 图文解析
组装体的制备首先，基于我们课题组提出的活化界面聚合策略，制备了横向尺寸1~2 μm，厚度3~4 nm的iCOF纳米片。分别在不同pH下将iCOF分散液和PEI溶液进行物理共混组装（图1a）。当pH较低时，PEI和iCOF呈现出过度介导组装（EMA），EMA组装体的厚度超过40 nm，且纳米片呈现出无序取向的结构（图1b, e）。当pH过高时，PEI和iCOF则呈现出弱介导组装（WMA）。相比于原始纳米片，WMA组装体的尺寸仅略微增大（图1d, g）。当pH适中时，二者呈现出适度介导组装（MMA）。MMA组装体的横向尺寸超过40 μm，横纵比超过10000，是原始iCOF纳米片的二十倍以上，且PEI显著增强了其机械性能（图1c, f）。