金属-有机骨架材料在气体膜分离中的研究进展

金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOF)由于具有高比表面积、大孔隙率、功能性孔道结构以及种类多样性等特征,在储气、分离、催化、载药和光学等领域受到重视。其中,制备纯MOF膜或基于MOF的混合基质膜(mixed matrix membranes,MMMs)并用于气体分离,被认为具有潜在的应用前景。目前为止,实验合成的MOF材料种类已有两万种,为了快速筛选出合适的MOF材料作为膜材料,计算化学的方法可以极大地缩减MOF膜的研究周期,并有助于指导实验合成高效膜分离材料。本文分别从计算和实验两方面介绍了MOF膜在气体分离中的研究进展,分析表明,MOF膜的研究总体上向功能性更强、稳定性更高的方向发展,但是利用计算方法建立MOF膜的构效关系还存在一定的难度。因此,建立MOF膜的结构与性能表征的新概念、新方法,并利用MOF膜的结构-性能关系指导实验合成高稳定性、低成本的膜材料将是未来MOF膜的发展方向。

合成条件对金属有机骨架化合物形成的影响及其膜的制备

以金属有机骨架Zn(D-樟脑酸)(4,4'-(1,3-丙二基)双吡啶)·H2O(简称Zn-DT)化合物作为膜材料,采用反应晶种法制备Zn-DT膜,考察合成液p H、合成温度与合成时间对Zn-DT晶体的产率及晶型结构的影响。通过X线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热分析仪(TGA)和纳米划痕仪表征样品的性能。结果表明:p H6.75、合成温度100℃和反应时间10 h为Zn-DT最佳合成条件;在不高于480℃的条件下,Zn-DT晶体具有较好的热力学稳定性。Zn-DT膜对于H2/CO2有较高的分离性能,其分离系数为10.63;膜层与支撑体间拥有良好的界面结合力。

金属-有机骨架膜的制备及其在膜分离领域的应用

金属-有机骨架(MOFs)膜具有孔道尺寸、结构易调控且可功能化等显著优点,在气体和液体膜分离领域呈现出巨大的发展潜力和研究价值。连续致密无缺陷MOFs膜的大面积制备是目前MOFs膜在分离领域应用面临的主要挑战之一,解决该问题的关键在于改善基膜和MOFs膜间的界面结合以及提高MOFs膜致密性。从化学修饰基膜、物理修饰基膜、MOFs晶种修饰基膜、二维材料诱导MOFs膜生长等4个方面入手,介绍MOFs膜的制备方法及其在膜分离领域的研究进展,重点阐释了不同修饰和制膜方法的机理,分析了其对成膜性和膜分离性能的影响规律,总结了MOFs膜制备研究中存在的问题,并对MOFs膜制备的发展方向进行了展望。

碳中和背景下HKUST-1膜的制备与碳捕集效果研究

为了研究HKUST-1膜在碳中和目标中的应用潜力,选取了超细聚甲基丙烯酸甲酯粉(PMMA),以二氧化硅为基板,在现有条件下合成了一种HKUST-1膜。所制备的HKUST-1膜光滑均匀,完整独立,其大小和形状多种多样,厚度从数百纳米到数百微米不等。采用粉末X射线衍射(PXRD)、扫描电子显微镜(SEM)和CO_(2)吸附研究了所合成的聚合物支撑和自支撑微孔HKUST-1膜的结构,进行了数组气体分离实验来探究HKUST-1膜在碳捕集方面的应用效果。

二次生长法在大孔管状载体上制备[Co(Im)_2]_∞膜

以水为溶剂在室温条件下制备出大小为500nm的[Co(Im)2]∞晶体,粒径分布比较均匀,适宜作为成膜的晶种.利用二次生长法在大孔管状α-Al2O3载体上制备致密连续的[Co(Im)2]∞膜,并考察了成膜时间、合成液浓度对成膜的影响.采用SEM,XRD和单组分气体测试对膜的形貌和气体分离性能进行表征.通过SEM显示[Co(Im)2]∞膜无缺陷,膜层厚度约为9μm.由单组分气体渗透测试可知,室温条件下H2的渗透通量达到1.1×10-8 mol/(m2·s·Pa),H2/CO2,H2/N2和H2/CH4的理想分离系数分别7.8,9.1和7.9,超过努森扩散系数.

在大孔陶瓷管载体上引入ZnO连接层诱导合成稳定ZIF-8膜

以平均孔径为3μm的大孔α-Al2O3陶瓷管为载体,采用载体表面预先引入一层ZnO作为连接和诱导成膜的策略,合成连续完整且性能稳定的ZIF-8膜.首先在载体的内表面通过溶剂热生长一层厚度约为5μm的连续多孔ZnO层,起到对载体表面的修饰、连接膜与载体和诱导成膜的多功能作用;然后,甲醇体系溶剂热法在ZnO表面合成得到连续的ZIF-8膜.考察和优化了ZnO层的活化、ZIF-8合成条件对成膜的影响,用SEM、XRD和气体渗透等分析方法对所得ZIF-8膜进行表征.研究表明,ZnO层的连续性和活化处理是成膜的关键,ZnO层不连续难以形成完整连续ZIF-8膜,不活化ZnO则起不到很好的诱导成膜作用.最佳条件下获得的ZIF-8膜的H2通量为2.14×10-7 mol/(s·m2·Pa),H2/CO2、H2/N2、H2/CH4的理想分离系数分别为5.18、8.32、8.30.该膜材料具有明显的筛分效应,且150℃条件下长时间测试稳定性良好.

浅析金属-有机骨架膜在气体分离领域的应用

金属-有机骨架(MOFs)是一种有机-无机纳米多孔复合材料,具有良好的孔隙率和较为规则的晶体形貌。对MOFs有机配体的化学功能化作用,促进了其孔道结构、化学和物理性质的改变,更加适用于在气体膜分离等工业领域的应用。目前,很多文献相继报道了MOFs的合成和应用。但是,由于膜与载体的作用力不强、湿度灵敏度较低、稳定性较差等制膜条件限制,关于制备MOFs膜的文献报道相对较少。同时,在MOFs膜的制备过程中,纳米级缺陷的产生,也会对气体分离性能造成很大影响。在这里,我们总结了近几年MOFs膜用于气体分离的标准、存在问题和制备方法,并对这一领域未来的发展方向做了展望。

Preparation of copper net-supported metal-organic framework-5 membranes for solid-state lasers

Continuous copper net-supported metal-organic framework (MOF-5) membranes of high quality are synthesized for the first time by vapor diffusion of an organic amine. The velocity of diffusion of the organic amine and reaction temperature directly affect the quality of the membranes formed. Furthermore, a laser dye is successfully encapsulated within such membranes in CHCl3. The dye-loaded MOF-5 membranes have potential applications in optics, especially in laser systems.