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邵路课题组首次实现常温水溶液一步法合成ZIF-8分子筛分离膜

发布时间:2019-05-09浏览次数:484来源:化工与化学学院

近日,我校化工与化学学院邵路课题组在能源环保用ZIF-8分子筛气体分离膜合成方面取得重要进展。首次巧妙揭示仿生多巴胺分子的成核调节作用可实现常温水相一步法合成高性能ZIF-8分子筛气体分离膜。研究成果以超简易水溶液体系合成纳米多孔沸石咪唑骨架分离膜用于氢气纯化及丙烯/丙烷分离(Ultra-facile aqueous synthesis of nanoporous zeolitic imidazolate framework membranes for hydrogen purification and olefin/paraffin separation)为题,发表在国际著名期刊《材料化学A》(Journal of Materials Chemistry A,影响因子9.931),并被主编选为当期杂志封面(Front cover)报道。

金属有机框架(MOFs)是由金属离子或金属离子团簇和刚性有机配体配位而成的一种具有高度有序的多孔结构和超高比表面结的新型杂化材料,是理想的气体储存和分离材料。由于金属离子和有机配体的复杂性和多样性,迄今为止,已经有成千上万种MOF材料被合成出来。沸石咪唑骨架(ZIFs)是一类具有沸石晶型和有序孔道的高水热稳定性MOF材料,因此成为最具研究潜力的一类MOF分子筛膜材料。ZIFs材料的另一个瞩目的优点在于它们可以在多种溶剂中合成,包括水、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺等。ZIF-8是研究最多的一种ZIFs材料,具有极高的水热稳定性。晶体微孔直径为0.34 nm,极其适合分离气体分子。纯ZIF-8膜最早是由微波辅助的溶剂热方法在100 ℃下合成于多孔钛基底上的。目前,常用的ZIF-8分子筛膜合成方法主要是种子生长法和基底预修饰法。但这些方法往往包括较为复杂的基底表面处理,以及较为苛刻的合成条件,制膜过程中需要消耗大量能量,并产生有毒有害的废物。因此合成高性能无缺陷的MOFs分子筛膜的最大挑战在于如何采用简单绿色的方法,来精确控制MOFs在多孔基底上的异相成核。

针对这一难题,邵路课题组开发了一种全新的绿色常温水相ZIF-8分子筛膜合成法。通过利用多巴胺聚合和水相合成ZIF-8的相似反应条件,将多巴胺原位加入ZIF-8前驱体水溶液中,借助多巴胺及其聚合过程对ZIF-8成核的调控作用,首次成功实现了在常温水溶液中一步合成高质量ZIF-8分子筛膜。研究发现,多巴胺在碱性的ZIF-8前驱体溶液中聚合的聚合过程延缓了ZIF-8在水溶液中的成核速度,阻碍了ZIF-8的均相成核。形成的聚多巴胺促进了ZIF-8在基底表面的异相成核长成连续互生的ZIF-8晶层,并覆盖可能的缺陷。得到的ZIF-8分子筛膜具有优异的气体分离能力,H2/C3H8选择性最高可达6680C3H6/C3H8选择性最高可达99,达到国际先进水平。这种水溶液一步合成法的简单可操作性使得大规模制备MOF分子筛分离膜成为可能,推动了MOF分子筛膜在能源和环境领域的应用,对小分子调控MOF合成研究有积极启发意义。

原文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ta/c8ta11748a