浙江大学彭新生 | Sci. China Mater.综述：金属有机框架物(MOF)薄膜中的物质传输

【引言】

在过去的数十年里，MOF由于其规则的多孔结构和孔径及化学性质可调等特性，而倍受关注。尤其是致密交生的MOF薄膜，在气体、液体和离子分离领域表现出优异的性能，展示了其在相关领域的重要应用前景。

【成果简介】

近日，Science China Materials在线发表浙江大学彭新生教授（通讯作者）团队的综述Mass transport through metal organic framework membranes (DOI: 10.1007/s40843-018-9258-4)。文章介绍了MOF薄膜的制备方法以及气体分子、液体分子和离子在薄膜中的传输过程（如图1）。

图1 气体分子、液体分子和离子在MOF薄膜中的传输

【图文导读】

MOF 薄膜的制备

首先，文章列举了近几年MOF薄膜的制备方法，其中包括一次生长法、二次生长法、2D MOF 薄膜的制备，并着重介绍了受限固相转化法，即MOF金属前驱体薄膜在配体溶液中，其表面优先转化为MOF薄膜，并对下层前驱体产生一定的限制作用，进而前驱体完全转化为MOF，得到致密交生的MOF薄膜，如图2。受限固相转化法是制备MOF与功能分子复合薄膜的一种有效的方法。

图2（a）受限固相转化法示意图，（b）通过受限固相转化法制备的PSS@HKUST-1薄膜及其（c）SEM照片，（d）通过受限固相转化法制备的DNA@ZIF-81薄膜及其（e）SEM照片。

气体分子在MOF薄膜中的传输

MOF薄膜被广泛用于气体分离领域，气体分子在MOF薄膜中的传输会受到MOF孔径尺寸筛分效应的影响，小的分子传输阻力较小，大的分子传输阻力较大，从而实现分子的分离。同时，MOF孔道的化学环境也会对气体分子的传输产生影响，通常通过向配体分子上接枝官能团以及在孔道中包覆功能分子来调节MOF孔道的化学环境，调控气体分子与MOF的相互作用，使得不同极性的分子在MOF孔道中的传输阻力产生差异，实现气体分子选择性分离。如图3，在MOF薄膜中包覆功能分子，不仅能改变MOF的孔道尺寸，还可以设计孔道的化学性质，使得复合膜兼具MOF和功能分子的性质，进而影响气体分子在MOF薄膜中的传输过程。

图3 气体分子在MOF/功能分子复合薄膜中的传输过程，（a）ZIF-8/GO复合薄膜，（b）[Ni(L-asp)2(bpe)]·(G)/bpe复合薄膜，（c）Au NPs/HKUST-1复合薄膜。

液体分子在MOF薄膜中的传输

液体分子在MOF薄膜中的传输与气体分子存在显著的不同。除了MOF薄膜的尺寸筛分效应，MOF薄膜的表面和孔道的亲疏水性、MOF与液体分子的相互作用也会对液体分子的跨膜传输过程产生影响。在蒸发渗透过程中，与MOF亲和性高的液体分子更易于吸附到MOF表面并在孔道中传输。同样地，MOF薄膜与液体分子的相互作用可以通过接枝官能团以及包覆功能分子来实现，液体分子在MOF孔道中的传输阻力随着相互作用力的增加而增加。如图4，2D MOF薄膜和UiO-66薄膜应用于液体分离，通过调节尺寸筛分效应、MOF与液体分子的相互作用来调控液体分子跨膜传输过程，实现分离。

图4 液体分子在（a）2D Zn-TCP(Fe)薄膜和（b）UiO-66薄膜的传输。

离子在MOF薄膜中的传输

文章着重介绍了离子在MOF中的传输过程，利用受限固相转化法，通过向HKUST-1薄膜中复合PSS构筑锂离子传输通道，通过向ZIF-8薄膜中复合DNA构筑质子传输通道，来实现MOF薄膜的离子传输，并分析了离子传输的机理。如图5，示意出离子在MOF薄膜中的传输过程和离子分离过程。

图5 （a）碱金属离子在PSS@HKSUT-1薄膜中的传输过程，（b）质子在DNA@ZIF-8薄膜中的传输过程。

【结论和展望】

该综述总结了近几年MOF薄膜中的传质研究。重点介绍了：（1）MOF薄膜的制备方法，（2）气体分子在MOF薄膜中的传输，（3）液体分子在MOF薄膜中的传输，（4）离子在MOF薄膜中的传输，以及气体分子、液体分子和离子跨膜传输的影响因素。

尽管近几年对MOF薄膜中的传质进行了大量的研究，但该领域仍然处于起步阶段，分子、离子的传输机理还不明确，还需要深入研究。同时还可以进行以下几个方面的研究：（1）通过将功能分子包覆于MOF孔道中来实现其多功能化，实现快速物质传输、能量转化以及催化等应用；（2）合成介孔MOF薄膜，介孔MOF薄膜具有分离生物大分子的潜能；（3）MOF薄膜的工业化量产；（4）通过新的原位研究方法和理论模拟来探究MOF薄膜纳米孔道内物质的传输行为。

相关工作得到国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的支持。

博士生郭弈为第一作者，彭新生教授为通讯作者。

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本文由彭新生教授课题组撰稿，特此感谢，SCMs实习编辑吴禹翰编辑。