具有丰富网络化学成分和可定制孔隙结构的水凝胶已成为离子筛筛、气体分离和渗透能收集等多个领域的理想膜材料。然而，现有水凝胶膜存在较高的运输阻力和较差的选择性，这主要是由于传统的热起始和光启动的体积凝胶方法无法减少其微米级厚度和孔径。本研究中，我们发现了一种多功能的受限凝胶化平台，利用二维光热纳米片作为触发器，构建超薄层状水凝胶膜（LHM），以取代传统的小分子热启动剂和光启动剂。LHM 通过控水凝胶前体中的光热纳米片组装成厚度可调的层状骨架，其间距为亚纳米级，位于多孔基底表面，利用其尺寸筛选能力拒绝组装纳米片，随后通过光热触发的受限凝胶化仅发生在该层状骨架内。这种方法使得制造具有超稳定亚纳米通道和极薄厚度可达 50 纳米的大规模均匀 LHM 成为可能，这比传统产品低约 3 个数量级。通过定制水凝胶网络化学，我们的 LHM 可应用于气体分离，具有卓越的 CO2/N2 选择性达 175，同时即使在长期运营下也能以令人印象深刻的最大功率密度 6.87 W/m2 采集渗透能。

在这篇研究中，作者团队开发了一种基于二维光热纳米片的受限凝胶化平台，用于制备超薄层状水凝胶膜。传统的水凝胶膜在离子筛分、气体分离和渗透能捕获等应用中，往往受限于其较大的厚度和孔隙尺寸，导致传输阻力大、选择性低。而这项新方法利用具有光热转换能力的纳米片作为引发剂，替代传统的小分子热引发剂或光引发剂，成功实现了水凝胶在纳米尺度上的精确控制与成型。

具体而言，研究团队将光热纳米片与水凝胶前驱体混合，通过真空过滤使其在多孔基底表面组装形成具有亚纳米层间距的层状骨架。随后，在光照下，纳米片产生局部热量，触发前驱体在层状骨架内部发生受限凝胶化，从而仅在基底表面形成极薄的水凝胶层。这一方法不仅避免了凝胶化向基底内部孔隙的扩散，还能精确调控水凝胶层的厚度，最低可达50纳米，比传统方法制备的水凝胶膜薄约三个数量级。

所制备的超薄层状水凝胶膜具有均匀的亚纳米通道和优异的抗溶胀性能。通过调控水凝胶网络的化学组成，该膜在气体分离方面表现出卓越的性能，二氧化碳与氮气的选择性高达175。同时，在渗透能捕获应用中，该膜在50倍盐度梯度下可实现最高6.87瓦每平方米的功率密度，并在长期运行中保持稳定输出。

此外，该平台具有良好的通用性与可扩展性。除了使用MXene纳米片，研究还验证了氧化石墨烯和二硫化钼等光热材料同样适用，并能与多种水溶性或油性单体结合，实现大规模、均匀的膜制备。膜的结构稳定性主要来源于纳米片与水凝胶网络之间的互锁作用，有效抑制了水凝胶在水环境中的溶胀现象。

总的来说，这项研究提出了一种创新且高效的受限凝胶化策略，不仅突破了传统水凝胶膜在厚度控制、孔隙均匀性和稳定性方面的瓶颈，还为高性能分离膜的设计与制备提供了新的思路。该膜在气体分离与渗透能捕获等领域展现出广阔的应用前景，为下一代水凝胶膜材料的开发奠定了重要基础。

参考文献：

DOI: 10.1021/acsnano.5c18130