表面图案化是克服分离膜权衡效应的一种很有前途的策略。在此，本研究开发了一种自下而上的图案化策略，将微米级碳纳米管笼（CNCs）锁定在纳米纤维基底上。CNCs中丰富的窄通道引发的毛细管力的强烈增强，使精确图案化基底具有优异的润湿性和反重力水传输能力。两者对于预负载含葫芦[n]脲（CB6）的胺溶液，以形成粘附在CNCs图案化基底上的超薄（～20nm）聚酰胺选择性层至关重要。CNCs图案化和CB6改性使选择性层的传输面积增加了40.2%，厚度减小，交联度降低，从而使透水性达到124.9L/m2/h/bar，对Janus Green B染料（511.07Da）的截留率为99.9%，比商业膜高出一个数量级。新的图案化策略为设计下一代染料/盐分离膜提供了技术和理论指导。
图1.膜上CNCs的图案化。（a）CNCs在纳米纤维基底上的构建和固定，以形成PI-CNCs基底，以及通过界面聚合制备TFNC-CB膜。（b,c）PI-CNCs（100）基底的（b）表面和（c）横截面SEM图像。（d,e）PI-CNCs（100）基底的AFM图像和相应的高度轮廓。（f,g）TFNC-CB（100）膜的（f）表面和（g）横截面SEM图像。（h,i）TFNC-CB（100）膜的AFM图像和相应的高度轮廓。
图2.CNCs图案化膜的形态模型分析。（a）PI-CNCs基底和TFNC-CB膜上CNCs的校准区域分布。（b）TFNC（100）-CB膜表面积标准化示意图（上图为10×10μm2的膜，下图为放大的半球形CNCs）。（c）比较TFNC-CB膜上CNCs的计算半径（RS）和实际半径（RA）。
图3.图案化膜中由CNCs控制的润湿和反重力水传输机制。（a）PAA、PI和PI-CNCs（100）基底在60秒内的DWCA（插图是初始和最终状态下DWCA的屏幕截图）。（b）PAA、PI和PI-CNCs（100）基底的芯吸性能。（c）水溶液在PI-CNCs基底上的润湿过程示意图以及不同阶段水滴在PI-CNC基底上的力分析。（ΔT表示相邻润湿状态之间变化所需的时间）。（d）在CNCs中的毛细管力和PI纳米纤维基底的疏水排斥力的协同作用下，CNCs图案化基底上的反重力水传输机制示意图。
图4.CNCs图案化复合膜的结构和性能。（a）通过IP工艺在CNCs图案化基底上形成PA和PA-CB选择性层的示意图。（b,c）TFNC（100）和TFNC（100%）-CB膜的横截面SEM图像。（d）TFNC（100）和TFNC（100%）-CB膜的纳滤性能。
图5.CNCs图案化复合膜的纳滤性能。（a）TFNC-CB膜的渗透性和染料截留性能。（b）文献中报道的最先进的纳滤膜与本工作中的TFNC（100）-CB膜的性能比较。文献测试条件：100-500ppm单一染料（分子量为320至1400Da）进料溶液，施加1-15bar的压力。（c）TFNC-CB膜的性能（渗透性和选择性）与CNCs半径（计算的标准化半径（RS）或实际半径（RA）之间的拟合曲线。（d）TFNC（100）-CB膜对不同分子量有机染料的截留性能。插图是纳滤前后浓度为100ppm的结晶紫（CV）和甲基橙（MO）混合溶液的数字照片，以及相应的紫外-可见吸收光谱。（e）TFNC（100）-CB膜对不同染料/盐混合溶液的分离性能。（染料类型：CR和JGB；盐类型：NaCl和MgCl2；测试模式：较差流系统，150L/h的高流速；浓度：有机染料为100ppm，盐溶液为2000ppm；施加压力：6bar）。
