哈工大邵路課題組封面文章：金屬有機框架穿織高效二氧化碳捕集膜及納米復合界面評價新方法

【引言】

二氧化碳在空氣中的濃度已經達到歷史最高水平，溫室效應引發的災害凸顯。碳排放的控制與全人類的生存息息相關，大力發展清潔能源技術的同時急需開發有效的CO₂捕集技術，二膜分離技術是一種能夠高效分離CO₂的新型低碳技術。近年來，隨著膜分離技術的發展，傳統的聚合物膜性能逐漸落后，而無機分子篩膜受限于合成難度和高成本，目前難以大規模發展，因此催生了混合基質膜，即將多孔納米粒子填充到傳統的聚合物膜中，利用多孔無機材料促進氣體在膜內的傳輸以及改善選擇性。在眾多的多孔填料中，金屬有機框架（MOFs）由于其高度規整的次納米級孔結構和超高的比表面積近年來備受矚目，其獨特的有機無機雜化性質使研究人員可以根據不同用途對MOF進行多種多樣的化學修飾。對于混合基質膜，納米填料在聚合物中的分散性對混合基質膜的性能起決定性作用，因此通過表面修飾提高MOF與聚合物之間的相容性的研究具有重要意義。

【成果簡介】

近日哈爾濱工業大學邵路課題組采用UiO-66類型MOF作為納米填料，紫外交聯的PEO體系作為聚合物體系。通過對氨基化的UiO-66-NH₂進行氨基化，使其接枝上具有高反應活性的烯丙基，得到可參與自由基反應的UiO-66-MA，從而在制膜過程中能夠使UiO-66-MA與PEO大分子單體進行聚合，以獲得良好的界面性能。結果表明UiO-66-NH₂在PEO交聯膜中的分散較差，出現了明顯的團聚，并且對復合膜的性能提高較少。而添加了UiO-66-MA的復合膜中，MOF顆粒分散良好，且氣體滲透性能得到了較大程度的提高，CO₂的滲透通量最高可達1439 Barrer，超過了目前大部分CO₂親和性分離膜。¹³C NMR 和原子力顯微鏡等表征表明UiO-66-MA與PEO之間形成了共價鏈接，因此具有良好的界面性能。此外，進一步對兩種復合膜的CO₂塑化行為進行研究發現，界面較好的復合膜的CO₂塑化行為被明顯抑制，而界面較差的復合膜的CO₂塑化現象顯著增強，這一現象有望建立起一個 塑化行為——復合材料界面狀態 的反饋評價體系。該研究成果作為封面文章發表在材料化學A雜志上。

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圖片導讀：

圖一：復合膜的制備過程，UiO-66-NH₂，UiO-66-MA的拓撲結構，復合膜的3D結構示意。

a) 復合膜的制備過程

b) UiO-66-NH₂，UiO-66-MA的拓撲結構

c) 復合膜的3D結構示意

圖二：氣體分子在不同類型復合膜中的傳輸示意圖。

a) 氣體分子在含UiO-66-NH₂的界面較差的復合膜中的傳輸

b) 氣體分子在含UiO-66-MA的界面良好的復合膜中的傳輸

圖三：復合膜的氣體分離性能

1.復合膜的CO₂滲透性能隨MOF添加量的變化。

2.復合膜的CO₂選擇性隨MOF添加量的變化。

3.復合膜CO₂分離性能隨交聯度的變化。

4.復合膜的分離性能與upperbound?line?以及其他PEO基分離膜的性能對比。

圖四：不同界面狀態復合膜的塑化行為

a) CO₂滲透通量隨測試壓力的變化

b) CO₂選擇性隨測試壓力的變化

總結：

本研究通過MOF表面化學修飾，成功改善了MOF顆粒與聚合物之間的相容性，制備了具有良好界面的納米復合膜，并極大提高了其CO₂分離性能。此外，通過研究不同界面狀態的復合膜的CO₂塑化行為，首次建立起了界面狀態與塑形性能之間的反饋評價體系，對復合材料的設計和制備具有重要的指導意義。

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

邵路教授主頁：

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

本文由哈爾濱工業大學邵路課題組供稿。

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