膜材料与膜过程广泛应用于环境、化工、能源、医药等领域。传统的膜分离过程是由化学势差驱动的传质过程。通过在膜材料中引入独特的非对称性，使其在不同方向上表现出差异化的传质行为，从而促进特定方向的物质传输，这相当于在材料内部构建了一种“内在驱动力”。 这种具有两面相反性质的分离膜材料被称为“Janus膜”。 自十余年前该概念首次提出以来，Janus膜受到了各领域研究者的广泛关注，其独特的非对称性使其在特定应用中展现出优于均质分离膜的性能，这种优势可被称为“Janus优越性”。 虽然目前已有许多综述论文详细介绍了Janus膜的制备方法与应用，但尚未深入探讨不同应用中Janus膜展现出性能优势的共性科学原理，一定程度上限制了Janus结构在更广泛领域中的发展与应用潜力。 浙江大学徐志康、杨皓程团队与美国阿贡国家实验室Seth Darling博士合作，对膜材料与器件中“Janus优越性”概念进行了全面分析，深入阐释了其背后的物理化学原理，为应对该领域未来的机遇与挑战提供了重要的理论基础和指导。值得关注的是，该团队于2016年以Minireview形式在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了该领域首篇综述论文。历经十年研究，该领域取得了显著进展，许多关键问题得以解决，相关解答与进展均在本次发表的综述中详细呈现。 该综述从材料基础出发，首先介绍了Janus膜不同制备方法的设计思路与基本原理，重点阐述了利用界面与物理梯度引入非对称性的策略，并讨论了基于不同原理的膜结构调控方法。在此基础上，综述比较了不同制备方法的优缺点，并分析了其规模化制备的潜力。随后，综述聚焦于Janus膜相较于均质分离膜性能优越性背后的物理化学机制，包括不同表面浸润性导致的表面流体热力学状态差异、流体在不同性质孔道中的传质差异，以及纳米尺度下不同浸润性通道的热力学效应。
图1 Janus膜在相传递过程中的优越性 图2 Janus膜在相间传质过程中的优越性
图3 Janus膜器件在宏观分离系统中的优越性 随后，综述阐述了Janus优越性在不同传质过程中的体现。在相转移过程中，如一相在另一相中的分散，Janus结构能够降低分散过程中膜内的能量损耗；而在分散相的聚并过程中，Janus结构则能够促进过程的持续进行。在相间分子传递过程中，Janus结构在不同尺度下发挥不同作用，例如缩短传质距离、稳定两相界面等。值得注意的是，纳米/亚纳米尺度下Janus结构对传质过程的强化是未来研究的重要方向。综述还特别介绍了Janus优越性在宏观分离系统中的应用，例如由两张性能相反的分离膜组成的Janus双膜狭缝及其在油水乳液同步分离回收中的应用。最后，综述展望了Janus膜未来在可控制备、性能优化及应用拓展方面的机遇与挑战。 论文信息 Janus Superiority of Membranes in Chemical Engineering and Beyond Prof. Hao-Cheng Yang, Yi-Zhou Chen, Kai Li, Xin-Yu Guo, Qi-Rui Jiang, Dr. Seth B. Darling, Prof. Zhi-Kang Xu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202509503
