共价有机框架(COFs)膜以及其它多孔有机框架膜材料的制备

文摘   2024-12-31 19:54   中国香港  

1. 共价有机框架(COFs)膜材料的制备

COFs是一类由具有不同对称性的有机构建单元通过共价键连接构成的二维或三维结晶的具有有序多孔结构的有机多孔聚合物。自从2005年,Yaghi课题组首次制备了二维的硼酸类COF-1以及COF-5材料[1]COFs材料逐渐受到科研工作者们的关注。2011年,Dichtel等人首次利用铜或石英上的SAM层石墨烯为载体,通过溶剂热的方法制备得到了结构高度有序的COF薄膜[2],其合成过程如图1所示。之后越来越多的科学家开始研究COFs膜的制备与应用,2017年,Banerjee课题组通过希夫碱缩合反应在液-液界面制备得到了稳定的酮式COF膜材料[3],其合成过程与反应单体如图2所示。因为COFs独特的化学结构特征(如有序的结构和可调整的孔隙环境)使COFs膜材料能够高效地吸附或去除环境中的污染物分子,包括持久性有机污染物、有毒金属或放射性废物等[4-7]。下面我们介绍几种不同制备亚胺类COFs膜的方法。

1 (a)溶剂热法制备COF-5膜示意图; (b)COF-5膜材料的X-射线散射图[2]

2 (a)-液界面制备的COFs膜的平面结构图; (b)-液界面制备联吡啶COF膜的示意图; (c)联吡啶COF膜的俯视和仰视的AFM图像[3]

(1) 2016年,Ulhas K. Kharul课题组通过溶液浇铸法制备了不同质量分数(按重量比)[(COF)n@PBI-Bul(m); n:m=20:80, 40:60, 50:50]杂化膜[8],其合成示意图如图3(a)(b)所示。具体的合成步骤如下:将含有PBI-Bul的二甲基乙酰胺溶液与COFs(TpPaTpBD)悬浮液均匀混合,将其倒在85 ℃的平整玻璃片上,将溶剂完全蒸发后即得到(COF)n@PBI-Bul(m)杂化膜。TpPa-1@PBI-BuITpBD@PBIBuI杂化膜的厚度为47µm-80µm,具有很好的柔韧性(3(c))。上述杂化膜中COF的负载量越多,膜材料中的氢键量(N…H… N)越多,稳定性更强,从而具有很好的CO2/N2CO2/CH4的气体分离性能。此研究为制备高气体选择性的COFs膜材料提供了理论依据。

3 (a)COFs的合成及其孔径和堆积距离模型的示意图; (b)溶液浇铸法制备COF@PBI-BuI膜的示意图; (c)TpPa-1TpBD@PBI-BuI膜的柔韧性的光学照片[8]

(2) 2022年,Félix Zamora课题组利用溶胶-凝胶工艺制备了三种COFs[9],溶胶-凝胶工艺一般包括五个过程:i)将分子构件在醋酸中混合;ii)形成COF凝胶;iii)溶剂交换和超临界CO2活化;iv)断裂过程;v)压制COF-气凝胶碎片得到COF膜。COFs膜的制备过程、平面结构及X-射线衍射图谱如图4所示。COF膜的实验过程如下:在醋酸存在的情况下,将COF-气凝胶切成约1-3 mm的小块,持续施加120 MPa的压力,即可得到目标COFs膜材料,命名为TAPB-BTCA-AGCOFPPDABTCA-AGCOFTAPB-PDA-AGCOF膜,COF膜的直径约为13 mm,厚度为50-60 μm。这三种COFs薄膜随着孔径的增加,p-p堆积的作用力减弱,其分离N2/CO2(选择性从4.73.8)CH 4/CO2(选择性从16.88.2)的能力逐渐减弱。这种方法制备的膜材料尺寸较小,很难进行工业化或产业化应用。

4 (a)COF-气凝胶加工成自支撑膜的示意图; (b)制备二维亚胺基COF的结构图; (c)(e)(g)为材料的反射XRD; (d)(f)(h)为材料的透射XRD; 其中(c)(d)TAPB-BTCA-COF膜的XRD; (e)(f)PPDA-BTCA-COF膜的PXRD; (g)(h)TAPB-PDA-AGCOF膜的PXRD[9](XRD图中: 红色线为薄膜的XRD峰,绿色线为气凝胶的XRD峰,蓝色线为模拟材料的XRD)

(3) 2020年,东北师范大学朱广山教授课题组首次利用机械研磨法辅助的丝网印刷技术制备了TpPa(OH)2COF[10],其制备过程示意图、单体结构式和结构有序性测试如图5(a)(b)所示。将1,3,5-三甲酰均苯三酚与2,5-二氨基对苯二胺按照2:3的摩尔比研磨均匀,加入少量的水作为溶剂,得到胶状的前驱体,用刮刀将该前驱体经过纤维网过滤后丝印在玻璃片上,加热结晶后,将承载COF膜的玻璃片放入水中,即获得自支撑的TpPa(OH)2COF膜。该膜表面是平滑且完整的(5 (c)),厚度为25 µm左右,BET598 m2/g,由于膜骨架中含有大量的亲水性-OH存在,因此COF膜材料具有很好的浸润性,此TpPa(OH)2COF膜中1.4 nm的微孔孔道的存在使其具有很好的海水淡化性能(62.9 %)。此研究提出一种新的简便的制备无缺陷、大尺寸COF膜的方法。

5 (a)TpPa(OH)2COF膜的制备工艺图; (b)该膜的XRD; (c)该膜的SEM及光学照片[10]

2. 其它多孔有机框架膜材料的制备

除了上面介绍的几种POFs膜材料外,还有几种其他类型的多孔膜材料,如CTFsPIMsMOFs膜等。MOFs通常含有两个主要的组成成份:有机连接剂和金属离子或金属簇。由于合成MOFs的连接剂和金属离子的种类繁多,制备得到的MOFs具有很高的微孔孔隙率、孔径可调且分子吸附位点明确,科研工作者将其用于催化、载药和杀菌等性能研究。2005年,Fischer课题组成功地合成了第一个单层MOF薄膜[11]。即在具有末端羧酸的Au(111)片基底上以对苯二甲酸与Zn(NO3)·4H2O为反应单体制备了自组装的MOF-5单层膜;2007年,Caro课题组报道了在各种多孔载体上原位生长Mn(HCOO)2[12],并发现其表面的性质对晶体密度有显著影响;2007年,Bein等人报道了MOFsSAM改性的金属基底上定向的生长HKUST-1MIL-53MIL-88[13,14]2007年,Gascon等人通过种子生长的方法在多孔氧化铝基底上成功合成了更致密的HKUST-1[15]。由此可知,MOFs膜的合成一般来说遵循以下两种方法之一:原位生长或种子辅助(二次)生长。下面具体举例说明MOFs膜的制备过程。

2011年,Young Moo Lee课题组通过种子二次生长法制备了MIL-53薄膜[16]。膜的制备包括两个过程,首先是种子生长:将Al2O3载体放入含有对苯二甲酸(H2BDC)和去离子水的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,高温加热后,用去离子水清洗Al2O3载体表面得到MIL-53种子;其次是二次生长:将含有种子的载体放入含有Al(NO3)3·9H2OH2BDC的前驱体溶液的高压反应釜中,在220 ℃加热后冷却,薄膜用去离子水清洗,干燥后即得到致密的MIL-53薄膜。其合成示意图如图6所示。该薄膜具有较好的气体分离和液体分离的性能。但是使用种子二次生长的方法制备薄膜的过程比较繁琐,难以实现大规模的应用。

6 Al2O3载体上制备MIL-53薄膜的示意图[16]

三嗪单体直接聚合成环制备的多孔聚合物为CTFs,制备该类材料的反应过程不可逆,因此得到的CTFs材料的结晶性很低或者其结构无定形,CTFs材料常被用于均相催化或光催化性能研究。一般通过载体辅助的方法制备CTFs膜材料,由于该膜中含有大量的氮原子使其具有很高的选择性分离性能。接下来介绍一下CTFs膜的制备过程。

(1) 2012年,Dai Sheng课题组提出了一种通过芳香族腈的三聚反应合成多孔性、荧光性的三嗪框架膜的策略[17]。该策略的本质在于利用酸在低温下有效地催化交联反应,得到多孔聚合物膜结构,合成方法如下图7所示。将三氟甲磺酸与4,4′-联苯二腈搅拌均匀后的粘稠状红色溶液倒入一个平坦的玻璃皿中,让其扩散成一个薄的液体层,然后将其加热形成一个软的涂膜。将该材料在冷水中淬火,然后用稀释的NaOH溶液、水和乙醇清洗数次后,获得的透明的柔性薄膜加热干燥,即可得到三嗪-框架多孔膜。该膜可以很好地分离CO2/N2,其选择性达到29

7 (a)用于制备三嗪类多孔膜的腈类单体的优化结构; (b)4,4′-联苯二腈的三聚反应过程图; (c)合成的三嗪-框架基膜的光学照片,圆圈内显示的是多孔框架局部的片段[17]

PIMs是多孔有机聚合物的一类,它是通过不对称的刚性单体聚合得到的有机微孔材料,PIMs具有很高的物理和化学稳定性,常被用于氢气储存性能的研究。PIMs膜具有较高的比表面积且具有一定的孔隙率,在气体分离、液体分离等领域具有很大的潜力。接下来我们举例阐述一下PIMs膜的制备方法。

2019年,Kawakami Hiroyoshi课题组通过溶液浇铸法基于化学改性的内在微孔聚合物和化学改性的二氧化硅纳米颗粒聚合反应制备得到了新型的杂化复合膜[18],并对其气体渗透性能进行了测试,目标杂化膜的构筑单元的结构和薄膜的光学照片如图8所示。该膜的具体制备过程如下:首先,将10-15 wt% DABA修饰的二氧化硅纳米颗粒(NP)THF中通过超声波分散1 h;然后将2.5 wt% MTZ-PIM加入到上述悬浮液中,并在室温下搅拌24 h,将混合物悬浮液倒入培养皿中,在40 ℃真空干燥箱中缓慢蒸发溶剂,即得到MTZ-PIM/NP膜。MTZ PIM膜对于CO2/N2的选择性明显高于原始的PIM膜,该杂化复合膜具有高效的CO2吸附和储存性能。

8 (a)制备MMMs膜的MTZ-PIM与表面改性的二氧化硅的结构图;(b) MMMs薄膜的光学照片左上: PIM-1; 右上: MTZ-PIM; 左下: MTZ-PIM/NP(10 wt%)[18]

参考文献:

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