在管狀陶瓷基片上構建MOF/有機硅薄膜材料用于氣

 

　　【引言】

 

　　盡管基于多孔碳和多孔沸石類的無機多孔薄膜具有優良的氣體滲透和分離性。但這類薄膜很難復制，MOFs因為孔穴和性能的可調性具有優勢。基于MOFs的薄膜可用于能源和環境相關的氣體分離。在純MOF薄膜上這些MOFs本身的可控隧道和選擇吸附性的優勢很難充分利用，因為在管狀陶瓷基片上很難構建無缺陷的MOF薄膜。這種由MOF和有機框架復合混合基質薄膜 可能會達到出奇的高選擇性但是卻存在MOF粒子與聚合物之間由于兩相的相容性產生的不可避免的界面缺陷，這也阻礙了該方面研究的進展。同時這種混合基質MOF/聚合物薄膜具有非常低的氣體通量。

 

　　【成果簡介】

 

　　近日，中科院寧波材料所陳亮(通訊作者)與福建省高分子材料重點實驗室陳邦林(通訊作者)等人在Energy& Environmental Science上發表了一篇題為“Nanoscale MOF/Organosilica Membrane on Tubular Ceramic Substrate for Highly Selective Gas Separation ”的文章。該研究組提出一種通用高效的策略在管狀陶瓷基片上設計合成了基于MOF的混合薄膜。將MOF與有機硅交聯的策略復合MOF(可調的空穴尺寸，識別氣體分子的特殊功能位點)與有機硅(可控的空穴尺寸，較高的水熱穩定性，與陶瓷基質的親和力)的優良特性。輕薄小巧的MOFs/有機硅復合薄膜能夠管狀陶瓷基片上形成并牢固鍵合。并且這種復合薄膜表現出與初始MOF關聯的優良的氣體分離性能、高選擇性和高滲透率。這種分別基于ZIF-8 和 MIL-53-NH2 的MOF和有機硅形成的納米復合膜在室溫下對H2/CH4 (1:1)和CO2/CH4 (1:1)兩組混合物中H2、CO2分離性分別是H2/CH4 分離比=26.5, H2 通量=1.06×10-6 mol?m-2?s-1?Pa-1和CO2/CH4 分離比=18.2, CO2 通量=1.44×10-7 mol?m-2?s-1?Pa-1。

 

　　【圖文導讀】

 

　　圖1：以管狀氧化鋁為基質的MOF/ 有機硅納米復合材料膜上用于氣體分離示意圖。

 

　　

 

 

 

　　圖2：不同MOF/有機硅薄膜的SEM電鏡圖

 

　　

 

 

 

　　(A)ZiF-8/有機硅薄膜掃描電鏡的圖像的表面和橫截面視圖;

 

　　(B) MIL-53-NH2/有機硅薄膜掃描電鏡的圖像的表面和橫截面視圖;

 

　　(C) CAU-1-NH2/有機硅薄膜掃描電鏡的圖像的表面和橫截面視圖。

 

　　圖3：不同MOF/有機硅薄膜對四種單組分氣體的吸附性

 

　　

 

 

 

　　(A) ZiF-8/有機硅薄膜對H2 ，N2，CO2 和CH4 的通量;

 

　　(B) MIL-53-NH2/有機硅薄膜對H2，N2，CO2 和CH4 的通量;

 

　　(C) CAU-1-NH2/有機硅薄膜對H2，N2，CO2 和CH4 的通量。

 

　　圖4：不同MOF/有機硅薄膜對四組混合氣體的選擇吸附性

 

　

 

　　(A) ZiF-8/有機硅薄膜對H2/CH4，H2/N2，CO2/CH4的CO2/N2的選擇吸附性;

 

　　(B) MIL-53-NH2/有機硅薄膜對H2/CH4，H2/N2，CO2/CH4的CO2/N2的選擇吸附性;

 

　　(C) CAU-1-NH2/有機硅薄膜對H2/CH4，H2/N2，CO2/CH4的CO2/N2的選擇吸附性。