具有垂直孔道的介孔氧化硅薄膜用于纳米分离

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

随着科技的发展，纳米材料和生物大分子已经广泛应用在催化、环境、能源和健康等领域。合成具有均一尺寸的纳米颗粒和高纯的生物大分子一直是人们的追求，然而大部分产物都是多分散的混合物。那么，有没有可能用一种简单有效的分离方法来提纯这些纳米尺度的物质？近日，复旦大学的赵东元（点击查看介绍）院士和李伟（点击查看介绍）青年研究员发展了一种具有垂直孔道的介孔薄膜器件，实现了对纳米颗粒以及生物分子的有效分离和提纯。

纳米级颗粒和大分子的纯度以及尺寸均一性对其应用有着极大的影响，因此对纳米级物种的分离和提纯引起人们极大的研究兴趣。追求可规模化应用、易操作、绿色环保、低成本、高效的纳米分离技术成为重要趋势和研究热点。目前纳米级分离技术主要包括梯度离心、选择性沉淀、电泳和磁分离等，这些技术方法通常都缺乏对物质尺寸的精确选择。超速离心是近几年发展起来的一种通用纳米分离技术，可以实现对纳米物质的尺寸选择分离，但其超高的转速（≥ 25000 rmp）带来的高精密设备、高能耗不适合规模化应用。相比之下，膜分离技术具有低成本、高效、节能等优势，在水净化、气体分离、生物分子提纯以及纳米粒子尺寸筛选方面越来越受欢迎。膜分离技术的基础是具有均一且通透的薄膜材料。然而，传统的商业化过滤膜孔径分布较宽，从几十到几百纳米不等，因此无法实现对纳米级物种的精确筛分。

复旦大学团队开发的垂直介孔氧化硅薄膜为核心的纳米分离器件可以很好地弥补上述缺憾。众所周知，介孔薄膜可以很方便地获得，然而其孔道的取向一般平行于薄膜表面，垂直薄膜方向上的通透性受到极大的限制。即使人们可以制备三维连通孔道的介孔薄膜，但由于孔道之间相连的小孔尺寸效应，也无法使其发挥介孔孔道真正的尺寸筛分作用。复旦大学团队从这个问题出发，利用油-水两相法，通过控制胶束组装和界面生长，实现了厘米尺度下具有完整形貌、垂直孔道、超薄（≤ 50 nm）的介孔氧化硅薄膜。

值得注意的是，复旦大学团队利用油相小分子原位扩孔的作用，通过分别控制油相和水相的合成参数实现了对介孔薄膜孔径的精确调控（2.8-11.8 nm）。因此他们可以制备具有不同截止尺寸的纳米分离器件，实现对物质的筛分和提纯。例如，他们可以有效分离不同尺寸的纳米金颗粒混合物（15 nm vs 5 nm）以及蛋白质分子混合物（OVA: 6.3 × 7.2 × 8.5 nm³) vs cyt c: 2.5 ×2.5 × 3.7 nm³）。该工作发展了一种新的方法制备具有垂直孔道且孔径可调的新型介孔薄膜材料，为可规模化应用、绿色环保、低成本、高性能的纳米分离器件的构筑提供了一条理想的途径。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是复旦大学的刘玉普博士和沈登科博士。

该论文作者为：Yupu Liu, Dengke Shen, Gang Chen, Ahmed A. Elzatahry, Manas Pal, Hongwei Zhu, Longlong Wu, Jianjian Lin, Daifallah Al-Dahyan, Wei Li, Dongyuan Zhao

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Mesoporous Silica Thin Membranes with Large Vertical Mesochannels for Nanosize-Based Separation

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702274

李伟博士简介

李伟，复旦大学青年研究员，2014年1月在复旦大学获得理学博士学位，导师是赵东元教授；随后在加拿大多伦多大学和韩国基础科学院多维碳材料研究中心从事博士后研究；2016年6月起就职于复旦大学化学系。李伟主要从事介孔材料的合成、结构设计及其在催化、能源转化与储存等领域的应用研究，在相关领域已发表SCI论文80余篇，其中第一作者/通讯作者论文26篇（含共同第一作者），包括Nature Rev. Mater. (1篇)、J. Am. Chem. Soc. (6篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (2篇)、Adv. Mater. (3篇)、Nano Lett. (1篇)、Adv. Energy Mater. (3篇)、Mater. Horiz. (1篇)、Chem. Mater. (1篇)等。

导师介绍

赵东元

http://www.x-mol.com/university/faculty/9627

李伟

http://www.x-mol.com/university/faculty/46685

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们的研究兴趣是开发可用的介孔材料和器件。众所周知，介孔薄膜是介孔材料家族中最为重要的一类材料，在分离、催化、能源、环境、人类健康等相关领域具有广泛的应用，但控制合成具有垂直孔道且孔径可调（尤其是孔径大于3 nm）的介孔薄膜材料仍然是材料合成化学家面临的巨大挑战。我们在油水两相合成方法的基础上通过引入基底，使介孔氧化硅选择性在基底上生长，而油相中的有机小分子可以原位作为扩孔剂，实现了具有垂直孔道且孔径精确可调的介孔氧化硅薄膜的合成。受石墨烯转移和器件构筑的启示，我们利用PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）辅助的方法，将介孔氧化硅膜转移到商业化的过滤膜上，构筑了纳米级膜分离器件，用于不同尺寸纳米颗粒和生物大分子的分离和提纯。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究中最大的挑战是如何控制孔道的取向，找到最优的制备条件，以获得具有完整形貌、垂直孔道的介孔薄膜材料。在这一过程中，我们课题组在介孔材料制备方面的经验积累起到了至关重要的作用。

Q：该研究成果可能有哪些重要应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：我们制备的薄膜具有厘米级完整形貌以及2到12 nm精确可调的孔径，因此在尺寸筛分方面具有很好的应用前景，可广泛用于纳米颗粒、生物分子的分离和提纯。同时，考虑到薄膜拥有超薄的厚度（≤ 50 nm）和高比表面积（可达1420 m²/g）等因素，这种薄膜非常适合客体分子或颗粒的运输及吸附。我们相信这项研究成果为吸附、催化、传感、纳米限域合成等器件的设计与构筑提供了载体，必将推动相关领域的发展。