这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的详细介绍：
该研究由Guoliang Liu、Xiaomei Zhang、Yi Di Yuan、Hongye Yuan、Nanxi Li、Yunpan Ying、Shing Bo Peh、Yuxiang Wang、Youdong Cheng、Yahui Cai、Zhonghua Gu、Hong Cai和Dan Zhao共同完成，主要来自新加坡国立大学化学与生物分子工程系。研究于2021年2月1日发表在《ACS Materials Letters》期刊上，标题为“Thin-Film Nanocomposite Membranes Containing Water-Stable Zirconium Metal−Organic Cages for Desalination”。
研究的主要科学领域是膜科学与海水淡化技术。全球水资源短缺问题日益严重，海水淡化作为一种可持续且高效的水资源获取方式，受到了广泛关注。反渗透（Reverse Osmosis, RO）是当前最常用的海水淡化技术，但其能耗较高，主要原因在于传统聚酰胺（Polyamide, PA）薄膜复合膜（Thin-Film Composite, TFC）的水通量较低。为了提高水通量，研究人员尝试在PA选择性层中引入多孔纳米填料，如沸石、金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）和共价有机框架（Covalent Organic Frameworks, COFs）等。然而，这些填料与PA层的相容性较差，容易导致膜缺陷，进而影响盐分截留率。因此，研究旨在开发一种新型纳米填料，既能提高水通量，又能保持甚至提升盐分截留率。
研究分为以下几个主要步骤：
填料选择与合成：研究人员选择了锆金属有机笼（Zirconium Metal−Organic Cages, Zr-MOCs）作为填料，因其具有理想的稳定性、溶解性和孔隙特性。具体选择了一种名为ZRT-1-NH2的Zr-MOC，其化学式为{[Cp3Zr3(μ3-O)(μ2-OH)3]4(bdc-NH2)6}·Cl4。Zr-MOC的合成在N,N-二乙基甲酰胺（DMF）和水存在下进行，并通过粉末X射线衍射（PXRD）确认了其相纯度。
膜制备：通过界面聚合法制备了薄膜纳米复合膜（Thin-Film Nanocomposite, TFN）。首先，在聚砜（Polysulfone, PSF）基底上进行MPD（间苯二胺）和TMC（均苯三甲酰氯）的界面聚合，制备了普通的TFC膜作为对照。然后，在MPD水溶液中加入不同浓度的ZRT-1-NH2，制备了TFN膜。为了进一步优化膜性能，研究人员还采用了“缺陷配体策略”，即用单胺化合物（如2-氨基吡嗪）部分替代MPD，以调节PA层的交联密度。
膜表征：通过衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、荧光技术、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和原子力显微镜（AFM）等手段对膜进行了表征。ATR-FTIR和XPS确认了PA层的成功形成和Zr-MOC的存在，荧光技术则用于观察Zr-MOC在膜中的分布情况。
性能测试：使用2000 ppm的NaCl溶液对膜的脱盐性能进行了测试，测量了水通量和盐分截留率。结果显示，加入0.06% (w/v) ZRT-1-NH2的TFN膜水通量比普通TFC膜提高了192%，而盐分截留率保持在94.7%左右。通过缺陷配体策略进一步优化后，TFN膜的水通量达到了普通TFC膜的4倍，盐分截留率仍保持在94.9%。
填料选择与合成：Zr-MOC ZRT-1-NH2具有优异的水稳定性和溶解性，适合作为TFN膜的填料。其孔径约为3.73 Å，分子尺寸约为1.5 nm，远小于PA选择性层的厚度，有利于水分子通过而截留钠离子。
膜制备与表征：TFN膜的成功制备通过ATR-FTIR和XPS得到了验证。荧光技术显示，Zr-MOC在膜中均匀分布，未出现聚集现象。FE-SEM和AFM结果显示，加入Zr-MOC后，膜表面变得更加光滑，接触角降低，表明膜的亲水性增强。
性能测试：TFN膜的水通量显著提高，且盐分截留率未受影响。缺陷配体策略进一步优化了膜性能，使其在保持高盐分截留率的同时，水通量大幅提升。
该研究首次将Zr-MOC作为分子填料引入TFN膜中，显著提高了膜的水通量，同时保持了高盐分截留率。通过缺陷配体策略进一步优化了膜性能，展示了Zr-MOC在开发高效脱盐膜中的潜力。研究为开发新型多孔TFN膜提供了重要思路，具有重要的科学和应用价值。
研究还探讨了Zr-MOC与PA层的化学交联机制，表明Zr-MOC的氨基基团参与了界面聚合过程，形成了化学交联的选择性层，从而提高了填料的分散性和膜的稳定性。此外，研究还指出，Zr-MOC的结构多样性为未来进一步优化膜性能提供了广阔的空间。