北理工在MOF膜用于高效水凈化領域取得重要進展
發布日期：2019-10-08 供稿：化學與化工學院 攝影：化學與化工學院
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圖1 TIPS-HoP方法制備MOF PE MMMs工藝示意圖
近日，國際頂級學術期刊《自然通訊》（Nature Communications）報道了北京理工大學王博研究團隊在超高MOF擔載量膜用于高效污水凈化的研究成果，題目為“Membrane adsorbers with ultrahigh metal-organic framework loading for high flux separations”。該工作第一單位為北京理工大學，通訊作者為北京理工大學王博和馮霄，第一作者為化學與化工學院博士研究生王航、趙爽以及碩士生劉藝。 原文鏈接為https://www.nature.com/articles/s41467-019-12114-8。
水凈化作為最重要的分離過程之一，對于解決全球日益關注的水資源短缺和質量問題至關重要，開發可用于高效污水處理的膜分離材料有望大幅降低能耗和成本。
具有高孔隙率和易功能化修飾的金屬有機骨架（MOFs）材料可以實現高效的小分子污染物的吸附。但是，MOF膜材料的制備非常困難：大面積連續MOF分離層難以制備，且存在著易碎、易粉化等問題；MOF/聚合物混合基質膜（MMMs）則面臨著MOF負載量低（通常低于30%）導致的吸附能力和水通量有限的問題，而提高MMMs中MOF擔載量則會導致嚴重的相分離和膜機械性能的大幅下降。
該研究團隊報道了一種熱致相分離-熱壓法（TIPS-HoP）聯用策略可以實現對輥連續生產高擔載量、柔性MOF基混合基質膜（負載量高達86 wt％）。研究者借助工業生產中成熟的TIPS技術將MOF分散到熔融態的高密度聚乙烯/超高分子量聚乙烯/液體石蠟中，繼而將得到的混合物降溫并對輥熱壓，洗掉液體石蠟（造大孔），得到了10種不同的MOFs基MMM膜。少量的超高分子量聚乙烯就可以將大量MOF顆粒編織、連接成柔性薄膜，而MOFs顆粒之間的空隙與MOFs中固有納米尺寸空腔的通道可以使其同時實現高通量和高選擇性的吸附式去除水體污染物。以NH2-UiO-66/MIL-100(Cr) PE MMM為例，在相同的過濾方式下（錯流模式、污染物濃度、再生過程）其通量比商用超濾膜提升了4倍，并表現出優異的長循環使用性能。同時，利用此方法選擇不同功能的多孔材料制備的混合基質膜還可以實現高效的手性分離以及相似大小的蛋白質分離。
圖2 MOF PE MMMs膜分離性能
通過TIPS和熱壓方法（TIPS-HoP）相結合可以實現制備具有良好機械性能的大面積超高功能多孔材料擔載量（例如共價有機框架材料、活性炭、分子篩等）的分離膜，具有很好的普適性以及實際生產價值，有望應用于水處理、氣體分離、手性分離等多個應用領域。
附作者簡介：
王博，特聘教授，前沿交叉科學研究院執行院長。國家杰出青年基金獲得者，國家萬人計劃領軍人才，科技部中青年科技創新領軍人才。獲“中國化學會青年化學獎”。現任國際IZA學會MOF Commission常務理事，中國化學快報和中國化學學報等雜志編委。研究方向主要涉及無機有機多孔骨架材料及成膜研究，在大氣治理、污染物濾除和降解、儲能等領域開展系列研究工作。已在Nature、Science、JACS、Angew.等學術期刊上發表60余篇論文，SCI他引超過7000次。空氣濾膜等技術已經與相關企業合作，實現了規模化量產與工業化應用。
馮霄，國家自然科學基金優秀青年基金獲得者。研究方向主要為共價有機框架材料等晶態多孔材料的構效關系研究及其在膜分離等領域的應用研究。以第一或通訊作者發表包括5篇JACS、6篇Angew等30余篇論文，SCI他引五千余次。
團隊主頁：http://bowang.bit.edu.cn/index.html
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