浙江大学朱利平教授团队 JMCA：高结晶性共价有机框架膜用于溶剂传输和精确分子分离

2023-09-04 来源：高分子科技

采用膜分离技术实现有机溶剂体系中的分子分离，对石油化工、食品、医药等行业中的产品精制与溶剂回收具有重要意义。相较于传统非晶聚合物膜的无序和隔离孔结构，在膜中构建贯通的有序纳米通道有利于促进溶剂快速传输和溶质的精确分离。共价有机框架（COFs）材料是一类新兴的结晶性多孔材料，可由预先设计的结构单元共价交联而成，具有高孔隙率和均一刚性的孔结构。由于这些优点，COFs在用作有机溶剂传输和精确分子分离的膜材料中具有很大的应用潜力。然而，传统溶剂热法制备的COFs通常为不溶不熔的微晶粉末，难以加工成膜。在多孔基底上一步制备大面积、无缺陷的高结晶性COFs膜具有很大的挑战性。

针对上述问题，浙江大学高分子科学与工程学系、浙江大学绍兴研究院朱利平教授研究团队报道了一种在多孔基底上原位合成高结晶COF膜的反扩散界面聚合方法（图1）。研究表明，该亚胺共轭结构连接的COF-DT膜具有高结晶性、高比表面积和规则的六边形孔结构（图2）。同时，COF-DT膜具有优异的力学强度和热稳定性，在有机溶剂中表现出高耐受性。通过调整初始单体浓度可实现膜厚度和结晶性的有效调节与优化。COF-DT膜表现出可调节的溶剂渗透通量和溶质截留率，且与其厚度呈线性关系（图3）。COF-DT膜的有机溶剂渗透通量与粘度线性相关，遵循孔流模型。根据Hagen-Poiseuille方程，膜厚度与孔隙扭曲度呈现线性关系，因此可根据COF膜的结构参数（孔径、厚度和孔隙率）和溶剂粘度预测溶剂通量。由于均一的纳米通道，COF-DT膜对有机溶剂中不同尺寸的溶质分子表现出精确的筛分能力。这项工作为用于有机溶剂体系中分子分离的高结晶、高稳定性COF膜结构设计与性能优化提供了理论指导和技术支撑。

图1.（a）COF-DT的合成路线；（b）在多孔聚丙烯腈（PAN）基底上反扩散界面聚合生长COF-DT膜示意图；（c）COF-DT复合膜和自支撑膜照片

图2. COF-DT膜的结构和性质表征：（a）氮气吸脱附曲线；（b）HRTEM图像；（c）不同溶剂处理1周后的XRD谱图；（d）杨氏模量分布图像；（e，f）COF-DT-2.7复合膜表面和断面SEM图像；（g，h）不同TAPB浓度制备的膜厚度曲线和相应的XRD谱图。（i）COF-DT-2.7复合膜的不同溶剂接触角

图3. COF-DT膜的溶剂渗透和分子分离性能：（a）不同厚度膜的乙醇通量和截留性能；（b）不同溶剂通量与粘度倒数的关系；（c）孔隙扭曲度和膜厚度的关系；（d）长期稳定性；（e）对不同尺寸染料分子的截留；（f）混合染料分子过滤前后的紫外吸收光谱

该研究成果以“Highly crystalline and robust covalent organic framework membranes for predictable solvent transport and molecular separation”为题发表在国际期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。论文第一作者为浙江大学高分子科学与工程学系博士生郭胡康，通讯作者为朱利平教授和方传杰副研究员。浙江大学高分子系本科毕业生江健霄为该工作做出了重要贡献。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省尖兵领雁研发攻关计划、浙江省自然科学基金、浙江省万人计划科技创新领军人才项目的支持。

原文链接：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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（责任编辑：xu）

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