表面圖案化是克服分離膜權衡效應的一種很有前途的策略。在此，本研究開發了一種自下而上的圖案化策略，將微米級碳納米管籠（CNCs）鎖定在納米纖維基底上。CNCs中豐富的窄通道引發的毛細管力的強烈增強，使精確圖案化基底具有優異的潤濕性和反重力水傳輸能力。兩者對于預負載含葫蘆[n]脲（CB6）的胺溶液，以形成粘附在CNCs圖案化基底上的超薄（～20nm）聚酰胺選擇性層至關重要。CNCs圖案化和CB6改性使選擇性層的傳輸面積增加了40.2%，厚度減小，交聯度降低，從而使透水性達到124.9L/m2/h/bar，對Janus Green B染料（511.07Da）的截留率為99.9%，比商業膜高出一個數量級。新的圖案化策略為設計下一代染料/鹽分離膜提供了技術和理論指導。
圖1.膜上CNCs的圖案化。（a）CNCs在納米纖維基底上的構建和固定，以形成PI-CNCs基底，以及通過界面聚合制備TFNC-CB膜。（b,c）PI-CNCs（100）基底的（b）表面和（c）橫截面SEM圖像。（d,e）PI-CNCs（100）基底的AFM圖像和相應的高度輪廓。（f,g）TFNC-CB（100）膜的（f）表面和（g）橫截面SEM圖像。（h,i）TFNC-CB（100）膜的AFM圖像和相應的高度輪廓。
圖2.CNCs圖案化膜的形態模型分析。（a）PI-CNCs基底和TFNC-CB膜上CNCs的校準區域分布。（b）TFNC（100）-CB膜表面積標準化示意圖（上圖為10×10μm2的膜，下圖為放大的半球形CNCs）。（c）比較TFNC-CB膜上CNCs的計算半徑（RS）和實際半徑（RA）。
圖3.圖案化膜中由CNCs控制的潤濕和反重力水傳輸機制。（a）PAA、PI和PI-CNCs（100）基底在60秒內的DWCA（插圖是初始和最終狀態下DWCA的屏幕截圖）。（b）PAA、PI和PI-CNCs（100）基底的芯吸性能。（c）水溶液在PI-CNCs基底上的潤濕過程示意圖以及不同階段水滴在PI-CNC基底上的力分析。（ΔT表示相鄰潤濕狀態之間變化所需的時間）。（d）在CNCs中的毛細管力和PI納米纖維基底的疏水排斥力的協同作用下，CNCs圖案化基底上的反重力水傳輸機制示意圖。
圖4.CNCs圖案化復合膜的結構和性能。（a）通過IP工藝在CNCs圖案化基底上形成PA和PA-CB選擇性層的示意圖。（b,c）TFNC（100）和TFNC（100%）-CB膜的橫截面SEM圖像。（d）TFNC（100）和TFNC（100%）-CB膜的納濾性能。
圖5.CNCs圖案化復合膜的納濾性能。（a）TFNC-CB膜的滲透性和染料截留性能。（b）文獻中報道的最先進的納濾膜與本工作中的TFNC（100）-CB膜的性能比較。文獻測試條件：100-500ppm單一染料（分子量為320至1400Da）進料溶液，施加1-15bar的壓力。（c）TFNC-CB膜的性能（滲透性和選擇性）與CNCs半徑（計算的標準化半徑（RS）或實際半徑（RA）之間的擬合曲線。（d）TFNC（100）-CB膜對不同分子量有機染料的截留性能。插圖是納濾前后濃度為100ppm的結晶紫（CV）和甲基橙（MO）混合溶液的數字照片，以及相應的紫外-可見吸收光譜。（e）TFNC（100）-CB膜對不同染料/鹽混合溶液的分離性能。（染料類型：CR和JGB；鹽類型：NaCl和MgCl2；測試模式：較差流系統，150L/h的高流速；濃度：有機染料為100ppm，鹽溶液為2000ppm；施加壓力：6bar）。
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