具有压力响应H2/N2分离性能和溶剂蒸汽修复能力的氢键有机框架膜

来源：X一MOL资讯

原标题：溶解-浇筑法制备有序微孔多晶膜：具有压力响应H2/N2分离性能和溶剂蒸汽修复能力的氢键有机框架膜

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

膜材料作为膜分离技术的核心，一直是研究者们研究的重点之一。其中溶解-浇筑法制备的高分子膜易规模化生产，而有序微孔多晶膜具有高效的分离性能。那么能否实现用高分子的制膜方法来制备有序微孔多晶膜？近日，中国石油大学（华东）的孙道峰教授团队将氢键有机框架（HOF）溶解在DMSO中，然后通过溶解-浇筑的方法制备了首例对压力具有相应性的HOF膜。

相比于其他分离技术而言，膜分离技术具有低能耗、装置简单、环境友好等优势。高分子的低成本以及可加工性，已成为目前膜分离领域应用最广泛的材料。然而，高分子膜渗透性与选择性之间的Trade-off效应始终是制约其分离性能的关键因素。有序多孔材料（Zeolite、MOF、COF等）已被应用在膜分离领域，制备的多孔膜可有效分离气体，与此同时这些膜材料也展现出优异性能。然而，这一类多晶膜往往是通过水热（或溶剂热）合成的，对比高分子的溶液加工法，扩大化制备问题制约了此类膜的实际应用。因此，如何将有序微孔材料简单地制备成连续的膜是亟待突破的关键之一。

中国石油大学（华东）孙道峰团队开发了可以弥补这一问题的HOF膜。众所周知，HOF是一类有机分子通过非共价键（氢键、π-π堆积、静电相互作用等）连接而成的新型多孔晶态材料。HOF材料拥有丰富的氢键网络，氢键的可逆性使得HOF可以溶解在有机溶剂当中，从而可以像高分子那样通过简单的溶液浇铸蒸发溶剂的方式制备成多晶膜。他们通过将HOF晶体溶解在DMSO中获得高浓度HOF溶液，然后将所得溶液滴在Al2O3载体基地表面，经过2 h的80 ℃烘干溶剂后即可得到HOF多晶膜UPC-HOF-6-120。值得注意的是UPC-HOF-6-120的气体渗透性能对压力具有一定的响应性，在1-2 bar的压力下，HOF膜的H2和N2渗透率随着压力增大而逐渐上升。H2的渗透率提升幅度远远大于N2，在2.0 bar的压力下的H2/N2理想选择性达到了19.5。这主要是由于HOF框架的柔性结构对压力做出了形变响应，可利用原位XRD精修拟合和理论计算证实。

另一方面，氢键的可逆性赋予了HOF膜材料优异的修复能力，受损的膜材料被放入溶剂的蒸汽中处理15分钟后，即可被修复，且修复后的膜材料的气体分离效果也能恢复到和受损前的一样。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的第一作者是中国石油大学（华东）硕士研究生冯收和商艳雪。

孙道峰教授简介

孙道峰，中国石油大学（华东）材料科学与工程学院教授。2003.12-2007.2 美国迈阿密大学化学与生物化学系博士后。2013年起就职于中国石油大学（华东）。

孙道峰教授团队长期从事功能多孔材料的制备与性能研究，在金属-有机框架材料的结构设计及其吸附性能、膜分离、锂/钠离子电池、电催化和超级电容器等方面的研究取得了丰硕的成果，研究成果相继刊发在Angew. Chem. Int. Ed, J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Advanced Science 等期刊上，为相关材料的研究提供了理论指导及技术支持。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所说，多晶膜往往是通过水热（或溶剂热）合成的，对比高分子的溶液加工法，扩大化制备问题制约了此类膜的实际应用。因此，如何将有序微孔材料简单地制备成连续的膜是亟待突破的关键之一。而HOF材料拥有丰富的氢键网络，氢键的可逆性使得HOF可以溶解在有机溶剂当中，从而可以像高分子那样通过简单的溶液浇铸蒸发溶剂的方式制备成多晶膜。因此我们就想利用HOF这一性质利用高分子的方法制备有序孔多晶膜。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：在研究过程中最大的挑战是对HOF溶液浓度、生长温度和生长时间对膜形貌以及性能影响的探究。在这个过程中，对我们团队在结合膜制备与晶体生长方面的经验积累起了至关重要的作用。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该通过溶解-浇筑法制备的的氢键有机框架（HOF）膜为多晶膜制备提供了新思路。为未来的有序孔膜材料的规模化生产提供了更大的可能性。我们相信这项研究成果可以打开多晶膜与高分子膜结合的新大门，将对相关领域的发展产生推动作用。