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制备高柔性金属有机骨架纳米片膜
中国科学报 温才妃 / 时间:2022-11-07 13:59:08

 中国科学报11月7日讯:北京理工大学化学与化工学院教授赵之平团队提出了一种新构想,在聚合物基底中包埋晶种,进而通过表面晶体诱导生长法精确构筑金属有机骨架(MOF)纳米片膜,在聚合物基底表面实现了高柔性超疏水MOF膜的层次构建,解析了纳米片的晶体结构及其内部传质通道,揭示了聚合物与纳米片层在分离过程中的协同机制。相关研究近日发表于《科学》。

现有方法多在刚性无机基底上制备MOF膜。为突破膜放大制备难度大、膜组件加工制作灵活性差的技术瓶颈,赵之平团队制备出了一种高柔性MOF纳米片(MOF-NS)膜。

为解决MOF层与聚合物基底之间的表界面结合问题,研究团队将ZIF-8晶种共混到聚合物铸膜液中,并采用非溶剂致相分离(NIPS)法,巧妙制备了在聚合物基底内嵌入“芽状”晶种的聚偏氟乙烯膜。嵌入聚合物基底的“芽状”晶种不仅成为MOF纳米片与聚合物连接的“锚点”,其独特的花瓣状片结构也为纳米片生长奠定了基础。以此为基底,通过诱导MOF限域生长,团队调控制备出了完整蜂窝状MOF纳米片膜。通过X射线衍射和蒙特卡洛分子模拟方法,解析了MOF纳米片的晶体结构及其内部传质通道,其拓扑结构以厚度为0.525纳米的[Zn2(MeIm)4]n为网格状平面,包含0.435纳米的亚纳米级层间通道,揭示ZIF-8晶种在NIPS法成膜过程中发生了晶格畸变。

在电子显微镜下,通过调节观测区域的电子束轰击密度,首次捕捉到MOF纳米片的可逆柔性形变,纳米片厚度约13纳米。MOF纳米片在透射电镜下展现出不同于ZIF-8的良好晶格结构。蜂窝状MOF纳米片的片层结构及其内部连续通道,使其在渗透汽化过程中展现了超高渗透性。

MOF纳米片膜经聚二甲基硅氧烷溶液滴涂改性,形成具有蜂窝状结构的PDMS涂层,不仅修复了MOF纳米片间的分子尺度缺陷,同时实现了膜表面特性从超亲水到超疏水的转变,构建了兼具超疏水表面特性和膜内MOF-NS快速分子扩散通道的双功能膜。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.abo5680 


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