本報訊(記者溫才妃)北京理工大學化學與化工學院教授趙之平團隊提出了一種新構想,在聚合物基底中包埋晶種,進而通過表面晶體誘導生長法精確構筑金屬有機骨架(MOF)納米片膜,在聚合物基底表面實現(xiàn)了高柔性超疏水MOF膜的層次構建,解析了納米片的晶體結構及其內部傳質通道,揭示了聚合物與納米片層在分離過程中的協(xié)同機制。相關研究近日發(fā)表于《科學》。
現(xiàn)有方法多在剛性無機基底上制備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瓶頸,趙之平團隊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合問題,研究團隊將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”,其獨特的花瓣狀片結構也為納米片生長奠定了基礎。以此為基底,通過誘導MOF限域生長,團隊調控制備出了完整蜂窩狀MOF納米片膜。通過X射線衍射和蒙特卡洛分子模擬方法,解析了MOF納米片的晶體結構及其內部傳質通道,其拓撲結構以厚度為0.525納米的[Zn2(MeIm)4]n為網格狀平面,包含0.435納米的亞納米級層間通道,揭示ZIF-8晶種在NIPS法成膜過程中發(fā)生了晶格畸變。 在電子顯微鏡下,通過調節(jié)觀測區(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的良好晶格結構。蜂窩狀MOF納米片的片層結構及其內部連續(xù)通道,使其在滲透汽化過程中展現(xiàn)了超高滲透性。 MOF納米片膜經聚二甲基硅氧烷溶液滴涂改性,形成具有蜂窩狀結構的PDMS涂層,不僅修復了MOF納米片間的分子尺度缺陷,同時實現(xiàn)了膜表面特性從超親水到超疏水的轉變,構建了兼具超疏水表面特性和膜內MOF-NS快速分子擴散通道的雙功能膜。 |