天津工业大学陈英波教授课题组在Zr-MOFs@聚酰胺膜上取得新进展

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Zr-MOFs由于其可调节的宽孔径，特殊的化学稳定性和热稳定性近来在材料领域备受关注，其在膜领域的应用也越来越多。本项工作基于Zr-MOFs的强大优势，将其分别加入PIP水溶液和TMC-正己烷溶液中利用界面聚合制备聚酰胺纳滤膜。不同的添加方式和添加量对聚酰胺膜的过滤性能有着不同的影响，相较把Zr-MOFs添加在PIP水溶液中所制备的膜，将其添加在TMC-正己烷溶液中所得到的膜在性能和结构上具有更大优势。而随着Zr-MOFs在聚酰胺膜中添加量的增加，膜的盐截留似乎不会发生大的减少，这跟普通无机材料添加在聚酰胺膜中所得到的截留结果似乎是相悖的。通过实验作者证实在Zr-MOFs的孔中可以发生对反应单体的吸附作用，从而在其孔中也可进行微量的界面聚合作用，增加了Zr-MOFs与聚酰胺的兼容性，从而减少了Zr-MOFs的加入造成的膜缺陷，提升了其截留性能。

为了探究Zr-MOFs不同的添加方式和添加量对聚酰胺膜的影响，陈英波教授团队分别制备了不同的四种聚酰胺膜，分别是将UiO-66和UiO-66-NH₂分别加入PIP水溶液制备成功MW1和MW2膜，和将它们分别加入TMC-正己烷溶液制备成功MO1和MO2膜。通过在对Zr-MOFs添加量影响的探究中发现了上述MOFs孔内吸附原理，这是首次发现多孔材料在聚酰胺膜的制备过程中会对反应单体进行孔内吸附，从而增加了Zr-MOFs@聚酰胺膜的牢固性，增强了其盐截留性能。

图1. Zr-MOFs纳米粒子的添加方法和浓度对Na₂SO₄盐溶液通量和截留率的影响。（1）MW1膜（2）MW2膜（3）MO1膜（4）MO2膜。

图2. Zr-MOFs纳米粒子的添加方法和浓度对聚酰胺膜脱盐率的影响。（1）MW1膜（2）MW2膜（3）MO1膜（4）MO2膜。

图1证实将Zr-MOFs添加在TMC-正己烷溶液中制膜更加明显地提高了膜的渗透性能，且相同的添加量其具有更高的添加效率。而图2中则明显地展示出了该项工作中所制备的膜截留并不会随着Zr-MOFs纳米粒子的含量上升而发生明显衰减。因此作者假想Zr-MOFs表面的孔径会对反应单体发生吸附作用，这是存在理论依据的：Zr-MOFs表面的孔径大于反应单体的直径。接下来通过微量体积变化，热重和红外等测试均证实了这一假想的成功。

图3. UiO-66和UiO-66-NH₂的氮吸附/解吸等温线和孔径分布图。

图4. Zr-MOFs纳米粒子在PIP水溶液或TMC-正己烷溶液中的吸附实验。

表1通过热重法和体积膨胀法计算0.1 g Zr-MOFs在PIP水溶液或TMC-正己烷溶液中吸附情况。

以上相关成果发表在ACS applied materials & interfaces上。论文的第一作者为天津工业大学材料科学与工程学院博士生肖凡，通讯作者为陈英波教授。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b17212

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