电荷不对称Janus纳滤膜离子传输机理的定量揭示，为面向高效水处理与资源回收的膜材料设计提供新范式

随着全球干旱半干旱地区淡水资源的日益紧张，苦咸水淡化与资源回收技术成为解决农业、饮用水和生态安全的关键。在众多水淡化技术中，纳滤（Nanofiltration, NF）技术因其高效分离和低能耗优势备受关注。近年来，具有非对称电荷分布的Janus纳滤膜因其在离子选择性分离中的优异表现，在水处理和离子资源化等方面展现出巨大应用潜力。然而，Janus膜中离子传输机制的研究目前仍大量停留在定性推测，缺乏关于轴向电荷异质性对离子传输影响的定量探究，在一定程度上限制了其进一步优化与应用。

针对这一挑战，南京工业大学孙世鹏教授团队将轴向电荷分布引入经典的Donnan Steric Pore Modelwith Dielectric Exclusion（DSPM-DE）模型，构建了能够精确描述Janus膜离子传输行为的数学模型，揭示了电荷分布产生的本征电场对离子传输的特异性影响。研究团队通过在商业化负电荷纳滤膜（R90-SC）表面修饰带正电的聚电解质层，成功制备了具有正-负电荷梯度结构的Janus膜（R90-AC），并通过深度剖析XPS与Zeta电位等手段验证了其非对称结构。在模拟苦咸水体系中（含Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、HCO₃^-、SO₄^2-等六种离子），引入轴向电荷分布的DSPM-DE模型对六种离子的预测偏差均低于8%，远优于传统模型（平均偏差>16%），显著提升了模型在复杂体系中对Janus纳滤膜分离效果的预测精度。

理论模拟进一步揭示，所制备的Janus膜中存在的轴向电荷梯度在膜内形成了一个强度达18.87 mV/μm的本征电场。该电场显著改变了离子的传输行为，导致电迁移项在扩展Nernst-Planck方程中的贡献出现异常（阳离子的电迁移贡献超过100%）。这表明Janus膜对离子具有“静电拖拽”效应，使阳离子在膜孔中沿轴向电场方向高效传输。离子渗透实验进一步验证了该效应：在双向渗透实验中，Mg²⁺的正向通量（2.69×10^-2mol·m^-2·h^-1）比反向通量（2.98×10^-3 mol·m^-2·h^-1）高出近一个数量级，而SO₄^2-则呈现相反趋势，充分证明了电场对离子传输方向的控制能力。

相关研究成果以“Ion Transport Mechanisms in Janus Nanofiltration Membranes with AsymmetricCharge Distribution: Quantitative Analysis of Electromigration Effects Drivenby Charge Gradients”为题发表在期刊《Engineering》上。该文章共同第一作者为孙宇轩博士研究生和王振远助理教授，通讯作者为孙世鹏教授。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809925005533?via%3Dihub