碳纳米管支撑取向金属有机骨架膜可有效分离乙烯/乙烷

金属有机骨架材料(MOFs)属于微孔多晶材料，因其孔隙率高、结构和化学性质可调、易合成等特点而备受关注。MOFs具有一个或多个不同结晶取向的通道。一般来说，每个结晶取向都有特定的孔径，能筛分出大于孔径的分子。通常MOFs孔径与气体分子大小相当，成为制备气体分离膜的良好候选材料。大多数报道的多晶MOF膜是由取向随机的晶体构成。而定向多晶MOF膜更为可贵，它们不仅具备最少的晶界缺陷，而且还可以通过调整晶体与载体的相对取向，对气体分离性能加以控制。

制备定向MOF膜历来都是一项挑战性工作。晶种生长和二次生长是合成定向膜最常用的方法。阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)物理科学与工程学部的Wei Ruicong等建立了一种碳纳米管(CNT)诱导定向膜(CNT-OM)制备方法来合成{100}取向的沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8膜(100-M)。在这个方法中，将配体2-甲基咪唑(2-MIM)锚定到CNT表面，然后在室温下水溶液中原位生长3 h。所得100-M的四元孔口沿着传输通道排成一线，其对乙烯/乙烷的选择性比随机取向膜提高约3倍。而且，100-M表现出优异的机械稳定性，在约109 m-1曲率下仍能保持分离性能。考虑到无机多晶膜的脆弱性，这一属性在工业应用中难能可贵。

在这个制备过程中，2-MIM的NH基附着在碳纳米管上时可形成局部正电荷，在此诱导下在碳纳米管临近表面π键形成负电荷。因此，2-MIM可以通过强大的静电引力固定在碳纳米管表面。或许还有负电荷从芳香基团的π键向2-MIM传递，致使2-MIM与CNT的结合更加牢固。碳纳米管上芳香π-π键的均匀分布保证了晶体均匀成核，有可能制备出低密度缺陷的定向膜。除了上述可能影响定向膜的因素之外，碳纳米管具有较高的机械强度，以其作为膜基质，膜的强度也会提高。

膜的合成在可触发ZIF-8快速成核和晶体生长的水溶液中进行，防止二次成核和不均匀晶体生长。快速成核可以快速消耗反应物，形成低过饱和度的前躯体溶液，有利于晶体沿{100}方向生长形成ZIF-8。此外，在水溶液中合成膜更加环保。

所用的薄层单壁碳纳米管是通过将CNT水溶液真空过滤到阳极氧化铝上(AAO)制得的，即CNT-AAO载体。在室温下将其浸入2-MIM水溶液中约3 min，2-MIM就锚定到CNT表面上。然后再将锌离子水溶液倒入2-MIM溶液中，在同样的条件下开始反应。3 h后，经过配位、去质子化、晶体成核和生长，就得到{100}取向的ZIF-8。