【背景介绍】
全球范围内，能源短缺和气候变化已成为亟待解决的重大问题，其中建筑行业的能耗约占全球总能耗的36%，并产生30%的二氧化碳排放。全热交换器作为建筑节能的重要组件，能够通过空气对空气的全热交换过程，在显热（温差驱动）与潜热（水分子传递）之间实现能量回收，从而降低建筑空调系统的能耗。
全热交换膜（THEMs）作为核心材料，需同时具备高水汽渗透性和优异的气体阻隔性能。然而，传统薄膜材料在提升水汽渗透率的同时常伴随气体渗透的增加，难以突破这一性能权衡的瓶颈，限制了其在节能新风系统中的实际应用。因此，如何设计同时具备高水汽渗透率和强气体阻隔性能的全热交换膜，成为该领域的重大技术难题。
【成果简介】
针对上述问题，浙江工业大学黄菲教授团队联合温州大学薛立新研究员开发了一种基于自组装纳米花（P(AA-I)-NFs）的薄膜纳米复合（TFN）全热交换膜。研究中，通过精准调控纳米花的层内与层间孔道，提出了一种全新的界面聚合策略，引入“界面穿梭效应”来优化聚合反应深度和活性层形貌。
与传统聚酰胺薄膜相比，该膜显著提高了表面粗糙度和厚度，展现出更优异的水汽渗透性（656.59 GPU）、焓交换效率（71.47%）和CO₂阻隔性能（0.51 GPU）。这项研究成果突破了传统材料的性能权衡，为下一代高效节能新风系统关键膜材料研发的提供新思路。
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【图文导读】
研究团队利用晶体驱动的自组装方法，通过聚（酰胺酸）分子段的内环化过程合成出高阶层叠的聚（酰胺酸-酰亚胺）纳米花（P(AA-I)-NFs）。通过调控溶液浓度、反应时间和结晶温度等条件，实现了纳米花层内和层间孔道的精准控制。这些纳米花是由二维纳米片组成的三维花状超结构，孔隙分布均匀且具有高热稳定性、化学稳定性和可控的酰亚胺化程度。
图1. (a) P(AA-I)-x-NFs的制备图，(b)直径分布曲线，(c) FT-IR光谱，(d) XRD图谱。
图2. P(AA-I)-x-NFs的纳米结构：(a) SEM图像，(b) TEM图像，(c) N2吸附-解吸等温线，(d)孔径分布，(e)孔径小于1.483 nm的孔体积。
通过将纳米花引入界面聚合过程，其层内微孔和层间孔道为单体的扩散提供额外路径，打破了传统界面聚合的自抑制效应。实验显示，P(AA-I)-NFs显著提高了单体的扩散深度和反应区域，生成更厚实、更粗糙的聚酰胺（PA）分离层。相比传统聚酰胺膜（厚度约242 nm），引入纳米花后的薄膜厚度增加到314-865 nm，且表面形成显著的“脊-谷”结构，提高了水汽传输效率。
图3. (a)界面层形成机理示意图：自抑制效应vs界面穿梭效应。(b) P(AA-I)-x-NFs/PA-2膜的截面SEM图像，(c)表面SEM图像，(d)三维SLM图像。
二氧化碳渗透性从PA薄膜的21.04 GPU降低到0.51 GPU，极大地抑制了气体交叉渗透，保障了室内空气质量。P(AA-I)-NFs/PA薄膜的水汽渗透率提升至656.59 GPU，相较于PA薄膜增加约17%。此外，薄膜的焓交换效率达到71.47%，温度交换效率达到97.48%，显著优于现有商业化膜产品。研究团队将所制备的P(AA-I)-NFs/PA复合薄膜性能与文献中其他代表性全热交换膜进行了详细对比。结果表明，该薄膜在气体屏障性和热交换效率上均大幅领先，展现了在高湿度和高温环境下的卓越适用性。此外，P(AA-I)-NFs的有机特性和可调控结构，使其适用于大规模薄膜制备，能够满足节能建筑中高效能量回收的需求。
图4. (a) CO₂透过性，(b)水蒸气透过性，(c) P(AA-I)- NFs/PA TFN膜CO₂阻隔性与水蒸气透过性之间的权衡关系。(d) P(AA-I)-NFs/PA TFN膜增强水透性、气体阻隔性和热交换性能的机制。(e) P(AA-I)-NFs/PA TFN 全热交换膜与文献中其他代表性成果的性能比较。
【总结】
本研究为探索具有可定制层内和层间通道的纯有机纳米填料用于构建高效能量回收全热交换膜（THEMs）开辟了新途径，并具有卓越的气体阻隔能力与热交换效率。相应成果以“Self-Assembled Nanoflower-Mediated Interfacial Polymerization through Tunable Intra- and Inter-layer Channels to Boost Total Heat Exchange Performance”为题发表在膜领域权威期刊《Journal of Membrane Science》上。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2024.123448
【通讯作者简介】
黄菲教授简介：浙江工业大学，浙江工业大学化学工程学院教授。2015年获美国康涅狄格大学博士学位，2017年至2020年为美国南卡罗莱纳大学博士后研究员，2019年入选浙江省海外高层次人才，2020年8月回国工作。长期专注于质子/离子交换膜材料在清洁能源领域的前沿研究和产业化，聚焦在中高温燃料电池、电解水制氢、液流电池等方面，拥有十年海外科研工作和应用器件开发经验, 主持多项国家和省级项目，取得了一系列成果。在Nat. Communications、Adv Energy Mater、Small、Energy Stor. Mater.、J. Mem Sci.、ACS Sustain. Chem. Eng.等国际期刊上发表SCI学术论文30余篇，美国发明专利4件。
薛立新研究员简介：国家特聘专家、中国科学院特聘研究员、浙江省膜分离与水处理协同创新中心副主任、温州大学化学与材料工程学院瓯江领军人才，温州大学新材料与产业技术研究院副院长，博士生导师。曾经在美国Honeywell、 Philip Morris、Celanese等公司和中国科学院担任高级科研管理人员二十多年，主持高性能高分子膜合成和高分子加工新技术研发等科研项目，发表SCI论文130多篇，申请美国和PCT国际授权发明专利58项，中国专利277项（授权164项）。曾获得中国科技大学亿利达实验科学奖（1986年），中国科学院科技进步三等奖（1989年），AlliedSignal公司专利发明人奖（1999年）和两次菲律普莫里斯技术杰出贡献奖（2003年和2006年）。1999年入选国际专业名人录(International “Who is Who”of Professionals)，2010年入选浙江省级人才计划，2015年获得中科院宁波材料所最佳论文奖、入选国家级人才引进和中国科学院特聘研究员, 被提名国际ENI奖；2018年获得中国膜工业协会科技进步一等奖，同年获《Journal of Membrane Science》编委会杰出审稿奖和浙江工业大学海洋学院科研优秀奖，2019年获得中国国家专利优秀奖（2019），2021获得国际先进材料学会科学金奖（IAAM Science Metal）。
【第一作者介绍】
陈超：浙江工业大学化学工程学院2022级硕士研究生。研究方向为高温质子交换膜、全热交换膜、多孔有机聚合物和燃料电池催化剂。
