近日，中国科学技术大学环境科学与工程系在规模化催化纳滤膜研发方面取得新突破。该研究通过将单原子催化剂与纳滤膜材料协同，设计了一种能够高效去除中性小分子有机污染物的全新催化纳滤膜。相关研究成果以“Scalable Catalytic Nanofiltration Membranes for Advanced Water Treatment”为题，发表于Nature Water（DOI: 10.1038/s44221-025-00483-y）。

水环境中广泛存在一类分子量低、尺寸小且缺乏电荷的有机污染物，常规的尺寸筛分和电荷排斥机制难以发挥作用，使得商用纳滤（NF）和反渗透（RO）膜在去除中性小分子有机污染物方面存在固有局限。因此，中性小分子有机物的高效去除成为膜法饮用水深度处理中的难题。针对此技术难题，我们通过仿生金属硫蛋白的天然结构，利用半胱氨酸将单原子金属锚定在纳滤膜聚酰胺层中，设计了可规模化制备的催化纳滤膜，实现了小分子有机污染物的近乎完全去除。本研究首次利用纳滤膜的浓差极化效应，将膜表面氧化剂浓度提升至进水的6.9倍（图1a），从而显著增强了催化反应效率。同时，纳米孔道的限域效应进一步提升了催化活性（图1b）；纳滤膜的孔径筛分作用则有效截留天然有机物和盐类副产物（图1c），减少了对催化过程的干扰并避免二次污染，保障了催化氧化过程的高效性。催化纳滤膜在连续500小时错流过滤运行后仍保持接近100%的污染物去除效率。

此外，催化纳滤膜可通过成熟的界面聚合法纳滤膜生产线实现大规模、连续化生产（图1d-f）。在饮用水处理实验中，该膜表现出优异的净化效果，显著提升了总有机碳的去除率，有效减少了有机污染物残留，充分保障饮用水安全，充分展现了其在实际应用中的可行性与广阔前景。

图1：（a）纳滤膜浓差极化效应提升氧化剂浓度。（b）纳米尺度限域效应增强了反应活性。（c）纳滤膜尺寸筛分效应提高催化体系抗干扰性能。（d）催化纳滤膜实现卷对卷生产。（e）催化纳滤膜组装为卷式净水膜组件。（f）催化纳滤膜组装为碟管式净水膜组件

该工作得到了国家自然科学基金、安徽省科技重大专项和安徽省自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s44221-025-00483-y