碳纳米管/环糊精金属有机骨架协同强化混合基质膜的CO2分离

为了实现混合基质膜中CO₂的高效分离,设计了羧基化多壁碳纳米管(CNT)和氨基化β-环糊精金属有机骨架(β-CD MOF)双填料(CM),并将其引入磺化聚醚醚酮(SPEEK)基质中,在膜内同时构建CO₂扩散通道和亲和位点,增强了混合基质膜的分离性能。采用FTIR和BET表征了CM的化学结构和孔结构,借助膜的SEM、FTIR和力学性能表征了填料-聚合物界面相互作用。研究了CM的合成比例、含量、压力、温度和混合气等因素对混合基质膜分离性能的影响。结果表明：CM与SPEEK之间具有良好的相容性并为气体分子提供了快速的传递通道。在改性CNT与MOF的质量比为5∶5、添加量为7%(质量)以及0.1 MPa和25℃的条件下,混合基质膜的分离性能最优,CO₂渗透性为844 Barrer,CO₂/N₂选择性为84,与纯SPEEK膜相比,分别提升了178%和163%,超过2019年上限。羧基化CNT的直孔通道缩短了CO₂的扩散路径,同时改性β-CD MOF表面的氨基载体提升了CO₂的溶解性,两者协同提高了混合基质膜的分离性能。此外,负载双填料的膜比单独负载相同含量的羧基化CNT或氨基化MOF的膜具有更好的分离性能。在360 h的测试过程中,混合基质膜保持较好的分离稳定性。     

碳纳米管/环糊精金属有机骨架协同强化混合基质膜的CO2分离

为了实现混合基质膜中CO₂的高效分离,设计了羧基化多壁碳纳米管(CNT)和氨基化β-环糊精金属有机骨架(β-CD MOF)双填料(CM),并将其引入磺化聚醚醚酮(SPEEK)基质中,在膜内同时构建CO₂扩散通道和亲和位点,增强了混合基质膜的分离性能。采用FTIR和BET表征了CM的化学结构和孔结构,借助膜的SEM、FTIR和力学性能表征了填料-聚合物界面相互作用。研究了CM的合成比例、含量、压力、温度和混合气等因素对混合基质膜分离性能的影响。结果表明：CM与SPEEK之间具有良好的相容性并为气体分子提供了快速的传递通道。在改性CNT与MOF的质量比为5∶5、添加量为7%(质量)以及0.1 MPa和25℃的条件下,混合基质膜的分离性能最优,CO₂渗透性为844 Barrer,CO₂/N₂选择性为84,与纯SPEEK膜相比,分别提升了178%和163%,超过2019年上限。羧基化CNT的直孔通道缩短了CO₂的扩散路径,同时改性β-CD MOF表面的氨基载体提升了CO₂的溶解性,两者协同提高了混合基质膜的分离性能。此外,负载双填料的膜比单独负载相同含量的羧基化CNT或氨基化MOF的膜具有更好的分离性能。在360 h的测试过程中,混合基质膜保持较好的分离稳定性。     

金属有机骨架材料用于气体吸附分离的研究进展

介绍了近年来国内外用于气体吸附分离的金属有机骨架材料及其最新迚展。本文依据气体吸附分离机理对材料迚行了归类分析,幵重点介绍了金属有机骨架材料特有的吸附现象:"呼吸"现象和"开门"现象。     

金属有机框架/聚酰亚胺混合基质膜的研究进展

聚酰亚胺是一种具有高热稳定性和良好成膜性的高分子材料,但聚酰亚胺膜在气体分离方面的应用效果较差。金属有机框架材料在气体分离中有较好的应用前景。用两者制备的混合基质膜,可以综合其各自的优点,提高对气体的选择渗透性。本文综述了采用金属有机框架材料、金属有机框架材料改性以及添加其他聚合物基底制备混合基质膜,对气体分离效果的影响,并对这种混合基质膜在气体分离领域的使用效果进行了分析,对这种混合基质膜面临的挑战进行了讨论与展望。     

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。     

MOF基混合基质气体分离膜界面作用调控研究进展

混合基质膜结合了无机填充材料和聚合物组分的双重优势,被认为是一种可同时增加渗透性和选择性的新型方法,有望解决传统聚合物膜的Trade-off效应。混合基质膜的气体分离性能主要依赖无机填充材料的分子筛分性质和高分子本身的化学结构,因此适当选择无机填充材料对于制备高性能的混合基质膜十分重要。金属有机骨架(MOF)作为一种新型多孔填料,具有比表面积大、密度小、孔隙率高和孔尺寸可调等优点,因此在气体吸附分离和气体储存等领域应用广泛,为新型混合基质膜带来良好的发展机遇。但混合基质膜的分离性能并不是简单地两相性能相加,在大多数情况下分离性能远低于材料模拟的预测理论值,造成这种非理想性的关键因素之一是MOF晶体和聚合物之间的界面缺陷,这可能导致界面非选择性空隙的形成、聚合物硬化和孔隙堵塞等界面问题,降低膜的分离性能。因此,实现MOF-聚合物基质间的界面作用调控以改善界面相容性是充分发挥MOF基混合基质膜气体分离潜力的关键。本工作综述了MOF基混合基质膜近五年关于不同类型界面作用调控的方法及策略,及其对气体分离性能的影响。最后,总结构建的界面作用对于混合基质膜性能的正面影响并提出当中存在的问题,为混合...     

氨基MIL-101(Cr)强化CO2分离性能的混合基质膜优化制备

金属有机骨架MIL-101(Cr)是大孔径、高孔隙率的新型膜材料,可显著提升混合基质膜的CO₂渗透性,但其掺杂会明显降低选择性,有两方面原因：有机配体的CO₂亲和性较低;填料干燥活化后再分散性差,易团聚形成缺陷。对此,首先以氨基对苯二甲酸为配体合成氨基MIL-101(Cr),提高溶解选择性,再采用先浇铸-后活化的制膜工艺,减少团聚缺陷。红外测试表明氨基填料成功合成;扫描电镜表明膜中填料分布均匀。掺杂15%(质量)氨基MIL-101(Cr)的乙基纤维素混合基质膜,CO₂渗透系数达到200 barrer,比MIL-101(Cr)膜提高11.2%,较纯聚合物膜提高133.1%;同时,CO₂/N₂选择性达到23.9,比MIL-101(Cr)膜提高25.8%,较纯聚合物膜提高17.1%。综上,采用先浇铸-后活化的制膜工艺掺杂氨基MIL-101(Cr)填料,可同时提高混合基质膜的CO₂渗透性和选择性。     

金属有机骨架材料研究进展

近年来,金属有机骨架材料作为新型多功能材料的出现,在工业领域和学术界吸引了相当多的关注。它相比于传统的多孔材料,具有拓扑结构丰富,比表面积大的优点,又同时兼具有可设计,可剪裁,功能化容易的特点,在发光,分离,储气,催化,传感器及生物化学等领域有广阔的应用前景。在文章中,主要对金属有机骨架材料研究进展进行综述,此外,还介绍了MOFs材料作为功能材料的前言发展和在设计合成中的应用。     

Enhanced gas separation properties of metal organic frameworks/polyetherimide mixed matrix membranes

Metal organic frameworks (MOFs) are supposed to be ideal additives for mixed matrix membranes (MMMs). In this article one kind of MOFs, Cu₃(BTC)₂, is synthesized, then directly incorporated into a model polymer (Ultem®1000) using N,N‐dimethylacetamide as solvent. Cu₃(BTC)₂ particles are uniformly dispersed and there are no interfacial defects in the prepared MMMs when Cu₃(BTC)₂ loading is not more than 35 wt %, seen in SEM images. Pure gas permeation tests show that gas permeability increases obviously with Cu₃(BTC)₂ loading increase, while ideal selectivities of CO₂/N₂ and CO₂/CH₄ are almost unchanged. For MMM with the best separation property, CO₂ permeability increases about 2.6 times and CO₂/N₂ selectivity remains almost unchanged. Results about gas diffusivity and solubility indicate that gas diffusivity and solubility make contribution to gas permeability increase at the same time but in different ways. Gas permeation properties of MMMs are well predicted by Maxwell or Bruggeman model. © 2014 The Authors Journal of Applied Polymer Science Published by Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2014 , 131, 40719.     

A melamine-based covalent organic framework nanomaterial as a nanofiller in polyethersulfone mixed matrix membranes to improve separation and antifouling performance

This research reported developing a polyethersulfone (PES) membrane using covalent organic frameworks (COFs) nanoparticle with a mean dimension of 30 nm. The SNW-1 (Schiff-based network) COF was synthesized using precursors of melamine and terephthalic acid and then characterized by XRD, SEM, TEM, and FTIR analyses. The influence of different loadings of the COF was evaluated on the permeability, antifouling behavior and dye/salt rejection. The addition of SNW-1 caused a reduction in surface roughness and an improvement in hydrophilicity of the nanocomposite membranes, which improved their flux and fouling resistance considerably. The improvement of water flux, 2.6 times, was observed by adding 0.5 wt% COF to the membrane matrix. The 0.5 wt% COF membrane presented the best water permeability, 38.9 L/m² h bar BSA solution flux, dye rejection of 98.7% for Reactive Green 19 and 62.6% for Reactive yellow 39, 52.9% Na₂SO₄ and 24.5% NaCl salt rejections. Zeta potential and salt rejection trend indicated a negative surface charge on the nanocomposite membrane. Fouling experiments by BSA protein solution exhibited that the FRR reached 88.9% for 2 wt% COF membrane. Thus, employing SNW-1 into PES matrix resulted in a promising nanofiltration membrane for dye separation and moderate salt separation with suitable antifouling properties.     

金属有机框架材料的绿色合成

金属有机框架化合物（Metal-organic frameworks,简称MOFs）是由金属离子（或簇）与有机配体配位并经由自组装而形成的一类多孔材料^[1]。MOFs具有极其发达的孔道结构,比表面积和孔容远超其他多孔材料。有机/无机杂化这一特点也赋予了MOFs其他材料（例如沸石、活性炭等）所不具备的无限结构功能可调性^[2]。此外,MOFs具有移除客体分子而主体框架完好保持的持久孔道或孔穴,这使得MOFs具有超乎寻常的化学及物理稳定性。正是基于以上这些特点,MOFs在许多领域有着丰富的应用^[3-4],例如催化^[5]、H₂储存^[6]、CO₂捕集^[7]、药物运输^[8]、污染物吸附^[9]、生物医学成像^[10]等方面。MOFs的商业化探索成为了目前的热点。MOFs的很多应用都与可持续发展及“绿色材料”有关,但MOFs本身的合成过程也需要考虑可持续性和环境影响。金属有机化学所面临的环境挑战是独特的,因为它将金属离子、有机配体的危害联系在一起,且合成过程大多需要大量能耗。主要介绍了金属有机框架材料的绿色可持续合成,主要分为4个方面：1）使用更安全或生物相容性的配体;2）使用更绿色、低成本的金属源;3）绿色溶剂的开发;4）无溶剂合成法。     

含开放金属位点MIL-101(Cr)掺杂的混合基质膜制备及其CO2分离性能

以结构中含有开放金属位点的MIL-101（Cr）作为填料与3种不同的聚合物复合制备了混合基质膜,从填料结构、聚合物性质及填料-聚合物界面状况等角度对混合基质膜的CO₂分离性能进行了分析。结果表明,由于MIL-101（Cr）较大的孔道尺寸以及结构中开放金属Cr（Ⅲ）位点与CO₂分子间的Lewis酸碱作用,其掺杂能够同时显著提高PSF膜的CO₂通量及分离因子。而当聚合物渗透性及选择性较高时,MIL-101（Cr）的掺杂仅提高了气体通量,CO₂分离因子则略有降低。当聚合物分子链柔性较大时,MIL-101（Cr）的表面孔道会被分子链堵塞,造成混合基质膜气体通量的显著下降。     

金属有机骨架材料在CO2/CH4吸附分离中的研究进展

CO₂/CH₄分离能耗高是生物甲烷过程核心难题之一。金属有机骨架材料（metal organic frameworks,MOFs）由于其优异的CO₂吸附分离性能,被视为最具潜力的CO₂分离捕集材料,近年来引起了广泛的关注。本文结合沼气的特点和MOFs研究的最新进展,对MOFs材料在CO₂/CH₄吸附分离过程的相关实验研究工作进行了综述。     

新型金属-有机骨架配位聚合物（MOF）的研究龈

金属有机骨架配位聚合物结构多样,性质独特,具有广泛的应用前景,它已成为近几年来一个热门的研究领域,如今它因H2存储方面的潜力受到广泛关注。本文简要介绍该类配位聚合物作为一种新型的多孔材料,在结构和性能方面的研究进展。     

锆基金属-有机骨架材料分离放射性气体Rn的计算筛选研究

存在于建筑材料中的氡（Rn）已成为污染室内空气的一种重要放射性气体,对人体的健康可造成严重的危害,因此开发对其具有高效分离性能的新型多孔材料具有重要的意义。基于巨正则系综的Monte Carlo模拟方法,系统地研究了163种锆基金属-有机骨架材料（Zr-MOF）在常温常压下对Rn/N₂和Rn/O₂混合气体的吸附分离性能。研究结果表明材料的孔径在5.6~8 ?（1 ? =0.1 nm）、可接触比表面积在140 ~870 m²/g范围内,材料对Rn的分离效果最佳,并发现在材料骨架上引入强极性功能基团如羧基（—COOH）和硫磺基（—SO₃H）等,有利于强化材料对Rn的分离性能。研究结果可为今后理性设计与可控合成相关高性能MOF分离材料提供理论参考。     

Recent advances on mixed matrix membranes for CO2 separation

Recent advances on mixed matrix membrane for CO2 separation are reviewed in this paper. To improve CO2 separation performance of polymer membranes, mixedmatrixmembranes (MMMs) are developed. The concept of MMM is illustrated distinctly. Suitable polymer and inorganic or organic fillers for MMMs are summarized.Possible interface morphologies between polymer and filler, and the effect of interface morphologies on gas transport properties of MMMs are summarized. The methods to improve compatibility between polymer and filler are introduced. There are eightmethods including silane coupling, Grignard treatment, incorporation of additive,grafting, in situ polymerization, polydopamine coating, particle fusion approach and polymer functionalization. To achieve higher productivity for industrial application,mixed matrix composite membranes are developed. The recent development on hollow fiber and flat mixedmatrix composite membrane is reviewed in detail. Last, the future trend of MMM is forecasted.     

二维金属有机框架及其衍生物用于电催化分解水的研究进展

氢能是一种具有发展前景的可再生清洁能源,电催化分解水是产生氢气的有效途径,设计高效、经济的分解水电催化剂对促进可再生能源的发展至关重要。二维金属有机框架材料(MOFs)具有独特的二维层状结构和灵活可调的化学组成,近年来被广泛应用于电催化分解水领域。二维金属有机框架材料可进一步衍生形成氧化物、磷化物、硫化物、金属-碳复合物等材料,也表现出良好的电催化分解水性能。通过组分调节和结构调控能有效地优化二维金属有机框架及其衍生的材料的本征活性和反应动力学特性,进而提高其电催化性能。此综述介绍了二维MOFs材料及其衍生物在电催化水分解领域的最新研究进展,并展望了其未来研究方向和发展空间。     

Research progress of two-dimensional metal organic frameworks and their derivatives for electrocatalytic water splitting

Hydrogen is a kind of renewable clean energy with development prospects. Electrocatalytic water splitting is an effective way to produce hydrogen. So it is crucial to design efficient and economical water splitting electrocatalyst. Two-dimensional metal organic frameworks (MOFs) have a unique two-dimensional layered structure and a flexible and adjustable chemical composition. In recent years, they have been widely used in the field of electrocatalytic water decomposition. Two-dimensional metal organic framework materials can be derivatized to form oxides, phosphides, sulfides, metal-carbon composites and other materials, and they also exhibit good electrocatalytic water splitting performance. Simultaneously, the intrinsic activity and reaction kinetics of two-dimensional MOFs and their derivatives can be effectively optimized through component adjustment and structural modification, thereby improving their electrocatalytic performance. This review introduces the latest research progress of two-dimensional MOFs and their derivatives for electrocatalytic water splitting, and provides perspectives on the future development.