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浙江大學朱利平教授團隊 JMCA：高結晶性共價有機框架膜用于溶劑傳輸和精確分子分離

2023-09-04 來源：高分子科技

采用膜分離技術實現有機溶劑體系中的分子分離，對石油化工、食品、醫藥等行業中的產品精制與溶劑回收具有重要意義。相較于傳統非晶聚合物膜的無序和隔離孔結構，在膜中構建貫通的有序納米通道有利于促進溶劑快速傳輸和溶質的精確分離。共價有機框架（COFs）材料是一類新興的結晶性多孔材料，可由預先設計的結構單元共價交聯而成，具有高孔隙率和均一剛性的孔結構。由于這些優點，COFs在用作有機溶劑傳輸和精確分子分離的膜材料中具有很大的應用潛力。然而，傳統溶劑熱法制備的COFs通常為不溶不熔的微晶粉末，難以加工成膜。在多孔基底上一步制備大面積、無缺陷的高結晶性COFs膜具有很大的挑戰性。

針對上述問題，浙江大學高分子科學與工程學系、浙江大學紹興研究院朱利平教授研究團隊報道了一種在多孔基底上原位合成高結晶COF膜的反擴散界面聚合方法（圖1）。研究表明，該亞胺共軛結構連接的COF-DT膜具有高結晶性、高比表面積和規則的六邊形孔結構（圖2）。同時，COF-DT膜具有優異的力學強度和熱穩定性，在有機溶劑中表現出高耐受性。通過調整初始單體濃度可實現膜厚度和結晶性的有效調節與優化。COF-DT膜表現出可調節的溶劑滲透通量和溶質截留率，且與其厚度呈線性關系（圖3）。COF-DT膜的有機溶劑滲透通量與粘度線性相關，遵循孔流模型。根據Hagen-Poiseuille方程，膜厚度與孔隙扭曲度呈現線性關系，因此可根據COF膜的結構參數（孔徑、厚度和孔隙率）和溶劑粘度預測溶劑通量。由于均一的納米通道，COF-DT膜對有機溶劑中不同尺寸的溶質分子表現出精確的篩分能力。這項工作為用于有機溶劑體系中分子分離的高結晶、高穩定性COF膜結構設計與性能優化提供了理論指導和技術支撐。

圖1.（a）COF-DT的合成路線；（b）在多孔聚丙烯腈（PAN）基底上反擴散界面聚合生長COF-DT膜示意圖；（c）COF-DT復合膜和自支撐膜照片

圖2. COF-DT膜的結構和性質表征：（a）氮氣吸脫附曲線；（b）HRTEM圖像；（c）不同溶劑處理1周后的XRD譜圖；（d）楊氏模量分布圖像；（e，f）COF-DT-2.7復合膜表面和斷面SEM圖像；（g，h）不同TAPB濃度制備的膜厚度曲線和相應的XRD譜圖。（i）COF-DT-2.7復合膜的不同溶劑接觸角

圖3. COF-DT膜的溶劑滲透和分子分離性能：（a）不同厚度膜的乙醇通量和截留性能；（b）不同溶劑通量與粘度倒數的關系；（c）孔隙扭曲度和膜厚度的關系；（d）長期穩定性；（e）對不同尺寸染料分子的截留；（f）混合染料分子過濾前后的紫外吸收光譜

該研究成果以“Highly crystalline and robust covalent organic framework membranes for predictable solvent transport and molecular separation”為題發表在國際期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。論文第一作者為浙江大學高分子科學與工程學系博士生郭胡康，通訊作者為朱利平教授和方傳杰副研究員。浙江大學高分子系本科畢業生江健霄為該工作做出了重要貢獻。該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、浙江省尖兵領雁研發攻關計劃、浙江省自然科學基金、浙江省萬人計劃科技創新領軍人才項目的支持。

原文鏈接：Highly crystalline and robust covalent organic framework membranes for predictable solvent transport and molecular separation, Hukang Guo, Jianxiao Jiang, Chuanjie Fang* and Liping Zhu*

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d3ta04108e

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（責任編輯：xu）

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