哈工大邵路课题组封面文章：金属有机框架穿织高效二氧化碳捕集膜及纳米复合界面评价新方法

【引言】

二氧化碳在空气中的浓度已经达到历史最高水平，温室效应引发的灾害凸显。碳排放的控制与全人类的生存息息相关，大力发展清洁能源技术的同时急需开发有效的CO₂捕集技术，二膜分离技术是一种能够高效分离CO₂的新型低碳技术。近年来，随着膜分离技术的发展，传统的聚合物膜性能逐渐落后，而无机分子筛膜受限于合成难度和高成本，目前难以大规模发展，因此催生了混合基质膜，即将多孔纳米粒子填充到传统的聚合物膜中，利用多孔无机材料促进气体在膜内的传输以及改善选择性。在众多的多孔填料中，金属有机框架（MOFs）由于其高度规整的次纳米级孔结构和超高的比表面积近年来备受瞩目，其独特的有机无机杂化性质使研究人员可以根据不同用途对MOF进行多种多样的化学修饰。对于混合基质膜，纳米填料在聚合物中的分散性对混合基质膜的性能起决定性作用，因此通过表面修饰提高MOF与聚合物之间的相容性的研究具有重要意义。

【成果简介】

近日哈尔滨工业大学邵路课题组采用UiO-66类型MOF作为纳米填料，紫外交联的PEO体系作为聚合物体系。通过对氨基化的UiO-66-NH₂进行氨基化，使其接枝上具有高反应活性的烯丙基，得到可参与自由基反应的UiO-66-MA，从而在制膜过程中能够使UiO-66-MA与PEO大分子单体进行聚合，以获得良好的界面性能。结果表明UiO-66-NH₂在PEO交联膜中的分散较差，出现了明显的团聚，并且对复合膜的性能提高较少。而添加了UiO-66-MA的复合膜中，MOF颗粒分散良好，且气体渗透性能得到了较大程度的提高，CO₂的渗透通量最高可达1439 Barrer，超过了目前大部分CO₂亲和性分离膜。¹³C NMR 和原子力显微镜等表征表明UiO-66-MA与PEO之间形成了共价链接，因此具有良好的界面性能。此外，进一步对两种复合膜的CO₂塑化行为进行研究发现，界面较好的复合膜的CO₂塑化行为被明显抑制，而界面较差的复合膜的CO₂塑化现象显著增强，这一现象有望建立起一个 塑化行为——复合材料界面状态 的反馈评价体系。该研究成果作为封面文章发表在材料化学A杂志上。

文章期刊封面图片展示

图片导读：

图一：复合膜的制备过程，UiO-66-NH₂，UiO-66-MA的拓扑结构，复合膜的3D结构示意。

a) 复合膜的制备过程

b) UiO-66-NH₂，UiO-66-MA的拓扑结构

c) 复合膜的3D结构示意

图二：气体分子在不同类型复合膜中的传输示意图。

a) 气体分子在含UiO-66-NH₂的界面较差的复合膜中的传输

b) 气体分子在含UiO-66-MA的界面良好的复合膜中的传输

图三：复合膜的气体分离性能

1.复合膜的CO₂渗透性能随MOF添加量的变化。

2.复合膜的CO₂选择性随MOF添加量的变化。

3.复合膜CO₂分离性能随交联度的变化。

4.复合膜的分离性能与upperbound line 以及其他PEO基分离膜的性能对比。

图四：不同界面状态复合膜的塑化行为

a) CO₂渗透通量随测试压力的变化

b) CO₂选择性随测试压力的变化

总结：

本研究通过MOF表面化学修饰，成功改善了MOF颗粒与聚合物之间的相容性，制备了具有良好界面的纳米复合膜，并极大提高了其CO₂分离性能。此外，通过研究不同界面状态的复合膜的CO₂塑化行为，首次建立起了界面状态与塑形性能之间的反馈评价体系，对复合材料的设计和制备具有重要的指导意义。

文章链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ta/c8ta03872d#!divAbstract

邵路教授主页：

http://homepage.hit.edu.cn/pages/shaolu；http://www.polymer.cn/ss/shaolu/index.html

本文由哈尔滨工业大学邵路课题组供稿。

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