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上周，北京理工大學王博教授和馮霄教授（共同通訊作者）等人在Science上發(fā)表成果Covalent organic framework–based porous ionomers for high-performance fuel cells，將基于共價有機框架（COF）的多孔離聚物應用于燃料電池中，實現(xiàn)了電池性能的突破。

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就在昨天，北京理工大學又發(fā)一篇！化學與化工學院趙之平教授和馮英楠助理教授在Science上發(fā)表文章Highly flexible and superhydrophobic MOF nanosheet membrane for ultrafast alcohol-water separation，合成了高度柔韌和超疏水MOF納米片膜，實現(xiàn)了酒精-水的超快分離。

金屬有機框架（MOF）因其特定的吸收親和力、高設計性以及多樣的孔隙結(jié)構和尺寸而受到廣泛研究。高孔隙MOF已被嵌入聚合物基質(zhì)中，以制備混合基質(zhì)膜（MMM）。然而，MMM中的運輸途徑仍然由聚合物基質(zhì)主導。除MMM外，襯底支持的異質(zhì)外延生長的MOF膜在液體分離中的應用有限。對晶體生長和缺陷的控制不力導致分離性能不令人滿意。無機圓盤和金屬網(wǎng)是MOF膜報告最多的基材，但它們幾乎無法擴展。具有良好可加工性的聚合物基材是批量生產(chǎn)的首選。此外，與三維MOF膜相比，定向二維MOF納米片（MOF-NS）膜通常具有良好的分離性能。然而，由于剛性MOF和柔性襯底之間的沖突，MOF納米片在聚合物基質(zhì)上的控制生長具有挑戰(zhàn)性。

作者優(yōu)化了膜的制備過程，沒有將MOF分散到聚二甲基硅氧烷（PDMS）基質(zhì)中，而是在聚合物基質(zhì)（PVDF）上生長了一層連續(xù)均勻的嵌入式MOF晶種（ZIF-8），然后用PDMS涂層密封。該過程產(chǎn)生了具有高柔韌性和快速分子傳輸通道的蜂窩狀結(jié)構，這是MOF-NS膜最期望的結(jié)構，同時具有大比表面積和高粗糙度。

用電子顯微鏡捕獲了柔性MOF-NS和垂直層間通路的可逆變形。分子模擬證實了該結(jié)構，并揭示了傳輸機制。MOF-NS中的超快運輸通道在40°C下5%乙醇-水的滲透率中表現(xiàn)出超高通量和8.9的分離系數(shù)，可用于生物燃料回收。MOF-NS和聚二甲基硅氧烷協(xié)同促進了分離性能。

圖1. MOF-NS/PVDF膜的制備過程和結(jié)構

圖2. MOF-NS/PVDF膜的高度柔韌結(jié)構

圖3. PDMS改性MOF-NS/PVDF膜的滴定涂覆過程、結(jié)構和表面特性

圖4. 膜的滲透蒸發(fā)性能和模擬傳輸通道以及形貌對進料流動行為的影響

通訊作者

趙之平教授，北京理工大學化學與化工學院教授、博士生導師，國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃和國家“863”新材料領域評審專家、國際清潔能源論壇（澳門）理事、北京膜學會監(jiān)事長、《膜科學與技術》編委、Adv. Membr. 編委、分離膜與膜工程國家重點實驗室專家委員會委員等。主要研究方向膜材料與分離技術、生物質(zhì)能源化工。先后主持國家自然科學基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學基金面上項目、北京市自然科學基金等項目10余項。迄今發(fā)表學術論文150余篇，其中SCI收錄期刊論文80余篇，獲授權專利11件。

馮英楠，北京理工大學化學與化工學院預聘助理教授/特別副研究員，研究方向為：有機膜制備工藝、成膜機理與膜結(jié)構調(diào)控、膜過程傳遞理論與分離機理、膜法水處理、耐溶劑有機膜及有機溶劑納濾。榮譽獎勵：The 12th Conference of the Aseanian Membrane Society (AMS12) Travel Award, The Membrane Society of Australiasia, 2019；新加坡教育部獎學金計劃, 2007-2013。

文獻信息

Xu et al., Highly flexible and superhydrophobic MOF nanosheet membrane for ultrafast alcohol-water separation, Science 378, 308-312 (2022).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5680

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