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        Cu-BTC/PES膜:一種制備聚合物/MOF復合膜新方法

        發表日期:2019-12-04 16:50文章編輯:國初科技瀏覽次數: 標簽:    

        具有高比表面積的多孔配位化合物-金屬有機骨架化合物(MOF)自1995年Yaghi等人提出以來,在眾多領域都展現了廣泛的應用潛力。由于MOFs結構的多樣性和可控的孔徑,MOFs被認為是分離,氣體存儲和催化中很極具競爭力的材料之一。相對于在無機載體上生長MOF薄膜來說,在有機載體上生長MOF薄膜要難的多。但其低成本和擴大規模的潛力仍然吸引了眾多學者的研究。目前,界面聚合和反向擴散合成是兩種用來在有機載體上生長MOF薄膜最為廣泛的方法。界面聚合法是將MOFs合成的金屬離子和有機配體分別溶于兩種不互溶的溶劑,將有機載體放置于兩種溶劑的界面處。兩種制備MOFs的原料會通過有機載體相互擴散,最終在有機載體表面生長出MOF膜。但由于溶劑互不相溶的限制,大大降低了一些常用于合成MOF的溶劑(例如DMF)的使用。此外,在考慮到金屬鹽和有機配體在溶劑中的溶解性問題,界面聚合法的適用范圍非常有限。若想解決界面聚合法中溶劑的限制問題,由單一溶劑取代互不相溶的兩種溶劑是關鍵。因此,由一種溶劑分別溶解金屬鹽和有機配體的反向擴散法被應用于MOF膜的合成。盡管兩種溶劑的限制被克服,但由于快速的混合,反應界面的不確定性和難以調控的MOFs生長過程限制了此方法的應用。

        近日,魯汶大學材料系Dr.Xuan Zhang,Prof.Jan Jan Fransaert團隊開發了一種新策略成功的制備了Cu-BTC/聚醚砜(PES)復合膜:通過電化學陽極沉積的輔助使該策略同時具有界面聚合法和反向擴散法的優勢,從而克服有機載體表面生長MOF膜的難題。論文的共同通訊作者還包括魯汶大學化學系Prof.Ivo F.J.Vankelecom和物理系訪問教授Prof.Jiangshui Luo。

        Cu-BTC/PES膜:一種制備聚合物/MOF復合膜新方法

        圖1.電化學輔助界面生長法(EIG)方法的過程和理論示意圖。(a–d)EIG中MOFs生長的示意圖以及在1 mA cm-2的陽極溶解電流密度下不同的時間后,所得Cu-BTC/PES膜的照片(膜的直徑:2 cm):(a)1小時,(b)3小時,(c)12小時,(d)36小時。(E)常規界面聚合方法和EIG方法中的擴散過程。CM,金屬離子的濃度;CL,配體的濃度;J,MOF合成原料擴散的通量;S,反應開始時的條件。

                電化學輔助界面生長法(EIG)過程簡述如下:以相應金屬板的陽極溶解代替金屬鹽提供金屬離子,從而達到在同一溶劑中的界面聚合效果。同時在金屬板的陽極溶解過程中,通過施加不同的電流密度,可連續可控的提供金屬離子來進行MOFs層的可控生長。在合成過程中,電沉積參數可以由電化學工作站和電解質控制。合成后,很容易將銅板和膜分離。此外,合成設備可以是簡單的電源,并且可以在溫和的條件下(室溫下無需任何高壓程序)進行。

                在常規反向擴散過程中,MOF生長的驅動力是膜兩側MOF前驅體(包括金屬離子和連接基)的濃度差。如圖1e所示,MOF前體的濃度差在反應開始時最大,從而導致MOF前體的通量最高。隨著時間的增加,MOF前體的通量減少。當MOF前體的濃度在兩側相等時,驅動力消失。在整個常規反擴散過程中,很難控制MOF沉積的擴散速率和反應的位置。相反,在EIG方法中,電流連續提供金屬離子。因此,金屬離子的通量可以保持在所需的水平,而配體的濃度在溶液中變化不大。

        Cu-BTC/PES膜:一種制備聚合物/MOF復合膜新方法

        圖2.Cu-BTC/PES膜的結構表征。PES(a–c)和MOF-PES膜(d–f)的SEM俯視圖和相應的橫截面圖;(g)從f中獲得的Cu-BTC/PES膜的EDS圖譜。

                作者通過掃描電子顯微鏡(SEM)的觀察了PES載體(圖2a-2c)和Cu-BTC/PES膜(圖2d-2g)的表面形貌。橫截面的SEM圖像顯示了厚度約為160μm的PES。在EIG合成之后,PES支撐物的表面被Cu-BTC晶體均勻連續覆蓋。在更高的放大倍率下,可以觀察到Cu-BTC晶體的典型八面體形態(圖2e),并且Cu-BTC晶體形成了一個封閉致密的MOF層。所得MOF的晶體結構(圖S6)由XRD表征。晶體尺寸為5μm至25μm。如橫截面所示(圖2f),Cu-BTC層和PES支撐的頂部之間沒有明顯的界面。Cu-BTC層的厚度為約20μm。

        表1.PES和PES/Cu-BTC膜在水溶液中對玫瑰紅染料(M=1,017.64 g mol-1)的過濾性能。

        Cu-BTC/PES膜:一種制備聚合物/MOF復合膜新方法

        圖3.Cu-BTC/PES-5的分離性能表征:(a)Cu-BTC/PES-5從水溶液中分離兩種不同染料的性能。(b)Cu-BTC/PES-5在乙醇中對于分離玫瑰紅染料的長期穩定性測試。

                所得Cu-BTC/PES膜對于玫瑰紅染料的過濾性能如表1和圖3所示。如表1所示,裸露的PES載體對于玫瑰紅染料過濾效果很差(38.2%截留率和27.7L m-2 h-1 bar-1滲透率)。通過EIG方法在載體上覆蓋Cu-BTC后,玫瑰紅截留率顯著提高,同時滲透率下降(圖3a)。隨著合成時間的增加,玫瑰紅的截留率增加,并且滲透率進一步降低,表明膜的表面逐漸被Cu-BTC覆蓋。經過36小時的合成時間,載體的表面被完全覆蓋,這與SEM觀察結果一致。Cu-BTC/PES-5表現出99.7%的玫瑰紅截留率。同時作者還評估了Cu-BTC/PES-5對玫瑰紅在乙醇中的過濾性能和穩定性(圖3b)。

        【結論】

                在這項工作中,作者開發了一種制備聚合物/MOF復合膜新方法。這種新型策略克服了常規界面聚合和反擴散方法各自的主要障礙。通過結合陽極溶解金屬板的輔助,可以連續可控的提供金屬陽離子并避免兩種不同溶劑的使用?;诖朔椒?,作者成功的制備了Cu-BTC/PES膜。Cu-BTC/PES膜顯示出優異的染料去除能力。這種新方法彌補了傳統方法的不足,為聚合物/MOF復合膜的設計,合成,應用提供了更廣闊的可能性。

        【文獻詳情】

        X.Zhang,Y.Li,C.Van Goethem,K.Wan,W.Zhang,J.Luo,I.F.Vankelecom and J.Fransaer,Electrochemically Assisted Interfacial Growth of MOF Membranes[J].Matter,2019,1(5):1285-1292.

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