北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授趙之平團(tuán)隊(duì)提出了一種新構(gòu)想，在聚合物基底中包埋晶種，進(jìn)而通過(guò)表面晶體誘導(dǎo)生長(zhǎng)法精確構(gòu)筑金屬有機(jī)骨架(MOF)納米片膜，在聚合物基底表面實(shí)現(xiàn)了高柔性超疏水MOF膜的層次構(gòu)建，解析了納米片的晶體結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部傳質(zhì)通道，揭示了聚合物與納米片層在分離過(guò)程中的協(xié)同機(jī)制。相關(guān)研究近日發(fā)表于《科學(xué)》。

現(xiàn)有方法多在剛性無(wú)機(jī)基底上制備MOF膜。為突破膜放大制備難度大、膜組件加工制作靈活性差的技術(shù)瓶頸，趙之平團(tuán)隊(duì)制備出了一種高柔性MOF納米片(MOF-NS)膜。

為解決MOF層與聚合物基底之間的表界面結(jié)合問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)將ZIF-8晶種共混到聚合物鑄膜液中，并采用非溶劑致相分離(NIPS)法，巧妙制備了在聚合物基底內(nèi)嵌入“芽狀”晶種的聚偏氟乙烯膜。嵌入聚合物基底的“芽狀”晶種不僅成為MOF納米片與聚合物連接的“錨點(diǎn)”，其獨(dú)特的花瓣?duì)钇Y(jié)構(gòu)也為納米片生長(zhǎng)奠定了基礎(chǔ)。以此為基底，通過(guò)誘導(dǎo)MOF限域生長(zhǎng)，團(tuán)隊(duì)調(diào)控制備出了完整蜂窩狀MOF納米片膜。通過(guò)X射線(xiàn)衍射和蒙特卡洛分子模擬方法，解析了MOF納米片的晶體結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部傳質(zhì)通道，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以厚度為0.525納米的[Zn2(MeIm)4]n為網(wǎng)格狀平面，包含0.435納米的亞納米級(jí)層間通道，揭示ZIF-8晶種在NIPS法成膜過(guò)程中發(fā)生了晶格畸變。

在電子顯微鏡下，通過(guò)調(diào)節(jié)觀(guān)測(cè)區(qū)域的電子束轟擊密度，首次捕捉到MOF納米片的可逆柔性形變，納米片厚度約13納米。MOF納米片在透射電鏡下展現(xiàn)出不同于ZIF-8的良好晶格結(jié)構(gòu)。蜂窩狀MOF納米片的片層結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部連續(xù)通道，使其在滲透汽化過(guò)程中展現(xiàn)了超高滲透性。

MOF納米片膜經(jīng)聚二甲基硅氧烷溶液滴涂改性，形成具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的PDMS涂層，不僅修復(fù)了MOF納米片間的分子尺度缺陷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了膜表面特性從超親水到超疏水的轉(zhuǎn)變，構(gòu)建了兼具超疏水表面特性和膜內(nèi)MOF-NS快速分子擴(kuò)散通道的雙功能膜。(記者溫才妃)

關(guān)鍵詞： 北京理工大學(xué)制備高柔性金屬有機(jī)骨架納米片膜 構(gòu)建雙功能膜 納米片的晶體結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部傳質(zhì)通道 聚合物與納米片層在分離過(guò)程中的協(xié)同機(jī)制