天津工业大学仲崇立教授团队创制出大面积超薄MOF膜

2023年8月28日,《先进材料》(AdvancedMaterials)在线发表了天津工业大学仲崇立/乔志华教授团队完成的题为“Step-nucleationinsituself-repair to prepare rollable large-area ultrathin MOF membranes”的研究成果(Caijiao Yu, Xixi Cen, Zhengqing Zhang , Yuxiu Sun, Wenjuan Xue , Zhihua Qiao*, Michael D. Guiver*, Chongli Zhong*,Adv.Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202307013).

MOFs作为一种新型纳米材料,在气体分离膜领域具有广泛的应用前景.兼具高通量和良好气体选择性的超薄MOF膜能够最大化地提高膜的经济技术优势.目前报道的超薄MOF膜制备方法主要是针对膜厚度和形态的调节,很少涉及到膜大面积化的报道,现有超薄MOF膜最大面积仅为100 cm2左右,未见更大面积膜的报道.受限于现有的超薄MOF膜制备方法,超薄MOF膜大面积化过程中易产生非选择性缺陷,而且可卷曲性较差,很大程度上限制了MOF膜组件的制备,尤其是卷式膜组件.该团队首次提出了一种梯级成核原位自修复策略,在廉价的柔性聚砜超滤膜支撑体上制备出了大面积(2 400 cm2)可卷曲的超薄MOF膜,并成功制备出了装填面积为4 800 cm2的卷式膜组件,大面积膜气体分离性能优异,证明了所开发的大面积超薄MOF膜具有很好的实际应用前景.

如图1所示,首先将涂敷有PVA-金属离子层的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/聚砜(PSf)超滤膜浸入纯金属离子溶液中,形成纯金属离子层;再将其倒置并浸入配体溶液中,纯金属离子层中的金属离子作为MOF膜生长的主要成核位点与溶液中的配体发生反应,形成MOF层,但形成的MOF层会伴有一些缺陷;此时PVA-金属离子层作为缓释金属离子源,在MOF层界面间隙中二次成核,原位修复界面缺陷,进而制备出大面积超薄MOF膜及卷式膜组件(图2),大面积超薄MOF膜展现出优异的C2H4渗透通量和C2H4/C2H6选择性(图2).

图1 大面积超薄MOF膜制备示意图

图2 2 400 cm2 ZIF-8膜实物图、4 800 cm2 ZIF-8卷式膜组件及内部图和ZIF-8膜C2H4/C2H6分离性能图

该工作的第一作者为天津工业大学纺织科学与工程学院博士生于彩娇,乔志华研究员、M. D. Guiver教授(天津大学)和仲崇立教授为共同通讯作者,受到国家重点研发项目(2021YFB3802200)和国家自然科学基金项目(22038010、22141001和22122810)的资助.