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先进微孔框架材料分离膜被应用于分子与离子高效分离
《X-MOL资讯》微信公众号 / 时间:2019-09-12 08:23:56

  据X-MOL资讯微信公众平台2019年9月6日讯 膜分离技术具有低成本、低能耗、易于工业化应用等特点,因而受到科学家们的广泛关注,至今已研发出一大批先进多孔材料膜,将其用于不同的膜分离过程,如微滤、超滤、纳滤、反渗透、气体分离、离子分离等,其中很多膜已经实现商业产业化应用。
  膜分离过程在自然界中广泛存在,如细胞膜可以通过膜上的蛋白质实现对钠离子、钾离子、水、ATP、小分子药物等选择性地跨膜运输。这些具有特殊结构和功能的生物多孔膜,为科学家设计新型具有特殊结构和功能仿生多孔膜材料提供了大量灵感。人工膜材料除了需具有和生物膜相似的高选择性和高透过性外,还需要具有良好的物理化学稳定性以应用于实际的工业分离过程。
  先进多孔框架材料(Advanced Porous Framework Materials),因其具有单分散的孔径、高孔隙率、独特的孔道结构以及丰富官能团等特点,成为了多孔材料领域的研究热点,并广泛用于气体吸附和存储、催化、可控释放等领域。目前已开发的多孔框架材料主要包括有机金属框架化合物(MOF)、有机共价框架化合物(COF)、多孔有机笼(POC)、多孔芳香框架材料(PAF)、氢键有机框架材料(HOF)。
  近年来,科学家们在多孔框架材料膜的制备领域也取得了突出进展,所制备的多孔框架材料膜不仅具有分子和离子高选择性,还同时保持较高的透过性或通量。目前基于先进多孔框架材料制备的分离膜主要分为两大类:一种是将其作为填料与聚合物膜共混,以增加聚合物膜分离性能的混合基质膜(MMMs),另一类是利用多孔支撑体为基底,在其表面构筑一层连续的多晶微孔框架材料的选择性层,以得到具有高机械强度的多晶先进微孔框架膜(Polycrystalline microporous framework membranes, PMFMs)。
  近日,澳大利亚蒙纳士大学的研究团队在Advanced Materials 上发表了题为“Polycrystalline Advanced Microporous Framework Membranes for Efficient Separation of Small Molecules and Ions”的综述论文,从制备和应用两方面对多晶框架材料膜(PMFM)的最新研究进展做了总结(图1)。


先进微孔框架材料分离膜被应用于分子与离子高效分离

图1.多晶先进微孔框架膜在分离领域的应用


  该综述首先总结了近年来PMFM制备方法上的新突破,介绍了引入二维材料作为纳米骨架诱导生长、利用电场诱导生长、气相法制备MOF超薄膜、Langmuir-Blodgett法组装二维COF膜等新思路。之后,文章重点讨论了PMFM在气体分离、海水淡化、离子分离及手性分离这四种近来快速发展的重要分离过程中的研究进展。最后,文章指出了制备选择性可调控的PMFM、制备由不同多孔材料构成的复合膜、深入探究框架结构与分离效果之间的关系、开发新型手性MOF膜的制备方法以及利用多种官能团功能化MOF膜用以增强离子分离效果等几种潜在的发展趋势。
  本文的通讯作者为蒙纳士大学化工系的王焕庭教授和张华成博士,第一作者为侯觉博士(Polycrystalline Advanced Microporous Framework Membranes for Efficient Separation of Small Molecules and Ions. Jue Hou, Huacheng Zhang, George P. Simon, Huanting Wang; Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201902009),本文同时得到了蒙纳士大学材料科学与工程系的George P. Simon教授的帮助。
  该研究团队近年来围绕先进多孔框架材料和膜分离开展工作,取得了一系列研究成果。例如,具有超快碱金属离子传输特性和选择性的超薄多晶ZIF-8膜(Sci. Adv., 2018, 4, eaaq0066);高氟离子选择性和导通性的UiO-66-X通道膜(Nat. Commun., 2019, 10, 2490);温度响应离子吸附MOF材料用于开发绿色海水淡化技术(Adv. Mater., 2018, 30, 1802767);手性MOF膜用于手性分子筛分(Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 17130);超薄ZIF-8/GO膜用于高效气体分离(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 2048)。
  作者简介
先进微孔框架材料分离膜被应用于分子与离子高效分离  王焕庭教授,1997年于中国骰宝玩法科技大学取得博士学位,之后在美国加州理工大学和加州大学河滨分校从事博士后研究。2004年取得澳洲ARC QEII Fellowship,2010年取得ARC Future Fellowship,现任澳大利亚蒙纳士大学化工系教授,工学院副院长,蒙纳士大学膜创新研究中心(Monash Center for Membrane Innovation)主任,英国皇家学会会士,美国化工学会会士,亚洲大洋洲(Aseania)膜学会理事,获得2019皇家澳大利亚化学会(RACI)化工奖。主要研究领域集中于开发微孔纳米结构及膜材料,用于气体分离、燃料电池、水处理、手性分离、离子输运与分离。
先进微孔框架材料分离膜被应用于分子与离子高效分离  张华成博士,2009年于西安交通大学取得学士学位,2014年于中科院化学所取得博士学位,师从江雷院士。2015年加入澳大利亚蒙纳士大学王焕庭教授课题组从事博士后研究,2017年获得ARC-DECRA青年研究基金,2018年获得ARC-Discovery Project基金,现为蒙纳士大学化工系ARC-DECRA研究员。主要研究领域集中于开发高选择性MOF膜、仿生离子通道、纳米流体器件等用于高效离子、分子筛分。
先进微孔框架材料分离膜被应用于分子与离子高效分离  侯觉博士,2011年于北京大学取得学士学位,2016年于中科院化学所取得博士学位,师从宋延林研究员。2017年-2019年在王焕庭教授课题组从事博士后研究工作,聚焦于基于MOF和分子筛的高效分离膜以及纳米孔道中物质的传输。现加入联邦科学与工业研究组织(CSIRO)继续从事相关研究工作。