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本研究由南京工业大学材料化学工程国家重点实验室、江苏先进材料协同创新中心及化工学院的Mingjie Wei、Wei Zhou、Fang Xu和Yong Wang教授团队完成，研究成果发表于《Small》期刊2019年的一期，文章标题为”Nanofluidic behaviors of water and ions in covalent triazine framework (CTF) multilayers”（共价三嗪框架多层结构中水与离子的纳米流体行为），DOI号为10.1002/smll.201903879。

学术背景
该研究属于纳米流体学与膜分离技术的交叉领域。随着二维共价有机框架（2D COFs）材料的发展，其精确可控的纳米孔结构和可定制的孔壁化学性质为膜分离技术提供了新机遇。其中，共价三嗪框架（CTFs）因其廉价单体来源、优异的水稳定性和化学稳定性备受关注。然而，CTF多层结构的纳米流体行为及其在脱盐应用中的潜力尚未系统研究。本研究旨在通过非平衡分子动力学（NEMD）模拟，揭示CTF-1和CTF-2两种典型多层结构的水渗透与离子截留机制，为设计高性能脱盐膜提供理论指导。

研究流程
1. 模型构建
- 研究对象：CTF-1（孔径1.2 nm）和CTF-2（孔径1.5 nm）的单层及多层结构，包括AA堆叠（平行圆柱孔）和AB堆叠（交错锯齿孔）两种构型。
- 方法：采用LAMMPS软件包，基于Dreiding力场参数，通过密度泛函理论计算原子电荷。水分子采用SPC/E模型，截断半径设为1.0 nm。

1. 模拟设计

   • 系统搭建：将CTF单层或多层置于xy平面，两侧设置3.7 nm厚的水库区域（含0.5 mol/L NaCl溶液）。
     
   • 外力加载：通过施加50-250 MPa压力差（实验值放大以提升信噪比），采用稳态NVT模拟（20 ns，前10 ns平衡，后10 ns数据采集）。
     

2. 传输阻力分析

   • 提出方程：总阻力（R_total）=界面阻力（R_interfacial）+内部阻力（R_interior），其中界面阻力与孔半径相关（Sampson方程），内部阻力与膜厚度成正比（达西定律）。
     
   • 拟合参数：通过δP/j与层数关系曲线，分别获得CTF-1和CTF-2的阻力方程系数。
     

3. 性能评估

   • 水渗透率：通过纯水通量（PWF）与压力差的线性关系计算。
     
   • 离子截留：统计Na⁺和Cl⁻通过膜的数量，按公式R=1-(n_p,i/n_i)/(n_p,w/n_w)计算截留率。
     

主要结果
1. 单层性能
- CTF-1单层水渗透率为2679 LMHB（升/平方米·小时·巴），NaCl截留率72%（50 MPa）；CTF-2单层渗透率更高（7543 LMHB），但截留率仅27%，证实小孔径更利于离子筛分。

1. 多层结构影响

   • AA堆叠多层：CTF-2的孔隙率（50.7%）显著高于CTF-1（35.8%），导致其内部阻力更低（0.91×10⁷ vs 4.26×10⁷ Pa·s/m·层）。
     
   • AB堆叠多层：仅CTF-2可形成有效输水路径，等效孔径0.45 nm（实测层间路径宽度0.47 nm），完全截留NaCl（100%截留率），渗透率仍达408 LMHB。
     

2. 机制解析

   • 水分子通过AB堆叠CTF-2时，需沿层间路径”之字形”运动（动画见补充材料），此路径仅允许脱水水分子通过，而水合离子被尺寸排除。
     
   • 氢键分析显示，CTF-1孔内水分子密度波动更剧烈（图4），导致更高的内部阻力。
     

结论与价值
该研究首次系统阐明了CTF多层结构的堆叠方式与层数对纳米流体行为的调控机制：
- 科学价值：提出”层间路径主导传输”的新机制，建立渗透率预测方程，为二维膜材料设计提供普适性理论框架。
- 应用价值：预测AB堆叠的2层CTF-2膜可实现100%脱盐率，且渗透率比商业反渗透膜高2个数量级，为下一代脱盐膜开发指明方向。

研究亮点
1. 方法创新：首次将NEMD模拟应用于CTF多层结构，开发基于传输阻力的渗透率预测模型。
2. 发现创新：揭示AB堆叠CTF-2的层间路径筛分效应，突破传统”孔径筛分”认知局限。
3. 应用前瞻：指出少于70层的AB堆叠CTF-2膜即可兼具高截留与高通量，具备实际生产可行性。

其他发现
- 孔壁氮原子与水分子的极性相互作用形成六边形高密度水分子区域（图3），影响传输阻力。
- 通过人工消除层间间距的对照实验（图S2），验证层间路径的必要性——无间距时水分子完全无法穿透。