高性能分离膜技术可以去除染料、抗生素、CO2等分子级别污染物，是解决水污染问题和全球变暖等问题的重要手段。然而，分子分离膜渗透性和选择性之间的“trade-off”现象是分子分离膜技术规模化去除分子污染物的障碍。近年来，通过纳米填料调整聚合物选择层孔结构的方法引起了广泛关注，尤其是通过金属有机框架化合物（MOFs）等材料的有机基团可以提高纳米填料与聚合物膜之间的相容性，从而增强膜的渗透性和选择性。但是，纳米粒子的团聚趋势阻碍了这类膜的规模化制备。
近日，哈尔滨工业大学（威海）程喜全副教授团队通过在UiO-66上接枝对苯乙烯磺酸钠（PSS）设计了一种高度分散的纳米颗粒（UiO-66-PSS），并将这种纳米颗粒分别增效聚电解质纳滤膜和PEBA气体分离膜传质过程。PSS作为一种带负电荷的水溶性物质可以促进UiO-66在水相中的分散并减少UiO-66颗粒间的聚集，获得性能优异的纳米复合膜。
图1.（A）在UiO-66表面接枝PSS链的示意图；（B）高度分散的PSS-UiO-66可实现在水环境修复和二氧化碳捕获中的高效分离
通过原子转移自由基聚合（ATRP）技术将PSS接枝到UiO-66上，改善了UiO-66的分散性并调整了改性UiO-66与PEM的聚电解质选择层之间的相互作用。接枝后，UiO-66-PSS展现出优异的分散性，较小的纳米颗粒尺寸和较窄的尺寸分布。
图2. UiO-66及其衍生物的性质
图3. 制备PEM膜的表面形态分析（A、D, B、E, C、F分别为PEM, PEM/UiO-66, PEM/UiO-66-PSS膜的SEM和AFM表征）
图4. 制备的PEM膜的性能研究
UiO-66-PSS可以精细地调整膜的结构和表面特性，促进水分子通过，而不会影响对离子和染料的截留率（图3，图4）。此外，掺入UiO-66或UiO-66-PSS纳米粒子后，膜的孔径分布变得更小、更窄。UiO-66-PSS增效纳滤膜的通量比聚电解质分离膜提高了280％（27.3 L m-2 h-1 bar-1），同时对MgSO4和CR的截留率也从92.3％和96.7％分别上升到98.7％和99.9％。掺入UiO-66-PSS的PEM膜还具有更好的耐污染性，能够达到98％以上的通量恢复率，在5.0 bar的工作压力下连续运行240小时后仍然具有110.4 L m-2 h-1的优异稳定通量。
图5. 制备的PEBA膜的CO2捕集性能研究
对于PEBA气体分离膜，添加了UiO-66和UiO-66-PSS后，CO2渗透率分别提高151.1％至277.1Barrer和276％至414.5 Barrer，同时选择性也有所增加（图5）。进一步研究发现，CO2的溶解度随MOFs的加入而略有增加，导致CO2扩散速率明显提高。UiO-66-PSS的加入增加了PEBA膜的渗透性和对CO2的亲和力，同步提高了混合基质膜的渗透性和选择性。
本论文同时解决了纳米粒子团聚和纳米填料与聚合物膜之间的相容性问题，从而增强膜的渗透性和选择性，发表在Advanced Composites and Hybrid Materials上。哈尔滨工业大学（威海）程喜全副教授为该论文的第一作者兼共同通讯作者，哈尔滨工业大学邵路教授为该论文的通讯作者，郑州大学李松伟博士为该论文的共同一作。
论文链接： https://doi.org/10.1007/s42114-021-00253-w
作者介绍：
程喜全副教授链接：http://homepage.hit.edu.cn/chengxiquan
邵路教授链接:http://homepage.hit.edu.cn/shaolu 或https://publons.com/researcher/1307969/lu-shao/publications/
