突破领域瓶颈！北京理工大学最新Science

• 阅读： 2022/11/1 9:12:08

  高性能渗透汽化膜在工业分离应用中具有潜力，但克服渗透-选择性权衡是一个挑战。

  2022年10月20日，北京理工大学赵之平及冯英楠共同通讯在Science 在线发表题为“Highly flexible and superhydrophobic MOF nanosheet membrane for ultrafast alcohol-water separation”的研究论文，该研究报告了一种在聚合物基质上具有偏好形结构的高柔性金属-有机框架纳米片(MOF-NS)膜用于醇-水分离的策略。

  控制生长后，采用表面涂层方法有效地生产出柔性和无缺陷的超疏水MOF-NS膜。电子显微镜捕捉到了柔性MOF-NS的可逆变形和垂直层间通路。分子模拟证实了其结构，揭示了传递机制。MOF-NS的超快输运通道在40°C条件下，在5%质量%乙醇-水渗透汽化过程中具有极高的通量和8.9的分离因子，可用于生物燃料回收。MOF-NS和聚二甲基硅氧烷在分离性能上具有协同作用。

  膜基分离技术作为一种节能分离技术，由于对减少碳排放和污染的需求而受到关注。从发泡液中回收生物燃料，如醇，对于提高产量是必不可少的。疏水聚合物膜广泛应用于渗透汽化以回收生物乙醇。然而，聚合物基渗透汽化膜的分离性能通常受到相对较低的渗透性或选择性以及渗透性和选择性之间的权衡的限制。开发一种制造高性能渗透汽化膜的策略有助于降低工业生物燃料生产的能源消耗和提高效率。

  金属-有机骨架(MOFs)因其特殊的吸附亲和性、高可设计性和多样化的孔隙结构和尺寸而被广泛研究。将高孔隙率的MOFs嵌入到聚合物基质中制备混合基质膜(MMMs);例如，使用了由MMMs中连续的MOF纳米颗粒生成的具有连续分子路径的珍珠项链状MOFs。然而，MMMs中的传输途径仍然由聚合物基质主导。

  MOF-NS/PVDF膜的制备方法和结构（图源自Science ）

  除了MMMs，衬底支撑异质外延MOF膜在液体分离中的应用也受到限制。晶体生长控制不力和缺陷导致分离性能不理想。无机盘和金属网是目前报道最多的MOF膜基质，但它们的规模难以扩大。具有良好可加工性的聚合物基板是大规模生产的首选。此外，与三维MOF膜相比，定向二维MOF纳米片(MOF- NS)膜通常具有很好的分离性能。然而，由于刚性MOF和柔性基体之间的冲突，在聚合物基板上控制MOF纳米片的生长具有挑战性。

  MOF-NS/PVDF膜的高柔性结构（图源自Science ）

  该研究报道了一种制备MOF-NS膜的策略，具有优良的柔韧性和渗透选择性。MOF-NS膜具有偏卵形结构，具有较大的比表面积、较高的粗糙度和快速的分子运输通道。经过简单的聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂层，得到的无缺陷超疏水膜在醇-水分离中表现出超快渗透蒸发性能。

  参考消息：

  https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5680

  转自：“iNature”微信公众号

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