近日，我校材料科学与工程学院材料与化工专业2021级硕士研究生吴桐以第一作者身份在国际期刊《Nature Water》上发表了题为“Liquid-infused aerogel membrane with reverse functions enables on-demand emulsification and demulsification”的研究性论文。
多孔限域固液复合膜具有丰富的界面性能，在分离、气体捕获、软制动器、传感器、药物释放和生物电子学等领域应用广泛。近年来，如何选择性地将功能液体限域在多级孔中，并在一片膜中实现两种相反功能（如乳化和破乳），仍是一个难题。本论文的研究工作主要针对这一难题，提出并构建了一种选择性原位液体限域气凝胶膜（Selectively in situ liquid-infused aerogel membrane，SILAM），通过调节压力实现了低能耗抗污染按需乳化和油水分离功能。
本研究利用芳纶纳米纤维和聚乙烯吡咯烷酮混合物的再质子化、非溶剂诱导相分离以及化学诱导溶胶-凝胶转变制备出了多级孔气凝胶膜（Hierarchical porous aerogel membrane，HPAM），并通过工艺优化实现了HPAM孔结构的精细调控。在多级孔气凝胶膜（HPAM）中置入水包油的乳液后，水相选择性填充在气凝胶介孔结构中，形成选择性原位液体限域气凝胶膜（SILAM）。
图1 SILAM的设计策略与应用示意图
在乳化模式下，SILAM相较于已有的乳化膜具有低能耗高效乳化性能。通过SILAM可处理液滴大小分布在5 ~80 μm之间的预乳液，使之形成分布更均匀、更细小和超稳定的粒径约5 μm的乳液。此外，通过同一膜进行多次膜乳化可获得乳化指数更高的乳液。在破乳模式下，SILAM能够从乳液和任意配比的油水混合物中实现高效的油水分离，并具备优异的抗污性能。将SILAM应用于实际船舶废水处理，油水分离系数达到99.97%，循环性能达30次以上。从长远来看，本课题研发的SILAM在水处理、食品行业、石油化工等领域具有广阔的应用前景。
图2 SILAM的低能耗高效乳化性能
图3 SILAM的抗污染高效油水分离性能
论文通讯作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员、盛智芝副研究员和河海大学孙甲鹏副研究员。论文合作作者包括河海大学吴国松教授和硕士生王玲玲，中科院苏州纳米所博士生侯英来、刘增伟和李玉珍。