2023年8月28日,《先進(jìn)材料》(AdvancedMaterials)在線發(fā)表了天津工業(yè)大學(xué)仲崇立/喬志華教授團(tuán)隊完成的題為“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作為一種新型納米材料,在氣體分離膜領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.兼具高通量和良好氣體選擇性的超薄MOF膜能夠最大化地提高膜的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢.目前報道的超薄MOF膜制備方法主要是針對膜厚度和形態(tài)的調(diào)節(jié),很少涉及到膜大面積化的報道,現(xiàn)有超薄MOF膜最大面積僅為100 cm2左右,未見更大面積膜的報道.受限于現(xiàn)有的超薄MOF膜制備方法,超薄MOF膜大面積化過程中易產(chǎn)生非選擇性缺陷,而且可卷曲性較差,很大程度上限制了MOF膜組件的制備,尤其是卷式膜組件.該團(tuán)隊首次提出了一種梯級成核原位自修復(fù)策略,在廉價的柔性聚砜超濾膜支撐體上制備出了大面積(2 400 cm2)可卷曲的超薄MOF膜,并成功制備出了裝填面積為4 800 cm2的卷式膜組件,大面積膜氣體分離性能優(yōu)異,證明了所開發(fā)的大面積超薄MOF膜具有很好的實際應(yīng)用前景.

如圖1所示,首先將涂敷有PVA-金屬離子層的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/聚砜(PSf)超濾膜浸入純金屬離子溶液中,形成純金屬離子層;再將其倒置并浸入配體溶液中,純金屬離子層中的金屬離子作為MOF膜生長的主要成核位點與溶液中的配體發(fā)生反應(yīng),形成MOF層,但形成的MOF層會伴有一些缺陷;此時PVA-金屬離子層作為緩釋金屬離子源,在MOF層界面間隙中二次成核,原位修復(fù)界面缺陷,進(jìn)而制備出大面積超薄MOF膜及卷式膜組件(圖2),大面積超薄MOF膜展現(xiàn)出優(yōu)異的C2H4滲透通量和C2H4/C2H6選擇性(圖2).

圖1 大面積超薄MOF膜制備示意圖

圖2 2 400 cm2 ZIF-8膜實物圖、4 800 cm2 ZIF-8卷式膜組件及內(nèi)部圖和ZIF-8膜C2H4/C2H6分離性能圖

該工作的第一作者為天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院博士生于彩嬌,喬志華研究員、M. D. Guiver教授(天津大學(xué))和仲崇立教授為共同通訊作者,受到國家重點研發(fā)項目(2021YFB3802200)和國家自然科學(xué)基金項目(22038010、22141001和22122810)的資助.