哈工大邵路教授团队 Matter:高效离子/分子分离的共价有机框架膜

文摘   2024-11-21 10:59   新疆  
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随着全球气候的逐渐恶化和化石资源的枯竭,可持续发展的观念变得越来越重要。在过去的几十年里,膜技术因其节能、分离效率高和易于操作等优点而迅速发展。然而,由于孔隙缺乏有序性和可调节性,传统的聚合物膜已经无法满足当前工业应用中的分离需求。新型多孔材料的出现在理论上弥补了传统聚合物的缺点,共价有机框架(COF)便是其中一种。COF是由有机连接体通过可逆的共价键连接形成的,由于其共价键的周期性排列而具有有序的孔结构,均匀的孔径以及高孔隙率。此外,COF的化学几何结构取决于单体的几何结构以及单体间的共价键,因此具有不同孔径的COF可以通过改变单体的化学几何形状来控制。同时不同的官能团可以引入到COF结构中使膜表现出不同的功能,如表面电荷和亲水性,进一步的控制分离过程。基于COF膜的这些优点,其在膜分离领域已经得到了广泛的研究。



近日,哈尔滨工业大学化工与化学学院教授、城市水资源与水环境国家重点实验室成员邵路带领团队总结了COF目前的研究现状以及面临的挑战,相关论文以《高效离子/分子分离的共价有机框架膜》(Engineering covalent organic framework membranes for efficient ionic/molecular separations)为题发表在《物质》(Matter)。哈尔滨工业大学为唯一通讯单位,邵路教授为唯一通讯作者团队张艳秋副教授和硕士生王浩为文章共同一作。


该综述首先介绍了面向膜构建的COF的纳米形态设计,从单体的结构出发讨论了对称以及不对称的2D3D COF结构形成的机理。然后COF结构中单体以及共价键的角度讨论COF孔径与层、亲水性、表面电荷、结晶度以及稳定性对于膜分离过程的影响。此外,综述还总结了COF膜的合成/制备方法,包含COF混合基质膜、界面聚合以及COF纳米片堆叠,并分别对各种方法的优缺点进行了对比。最后介绍了COF膜在气体分离、水处理、有机溶剂纳滤、燃料电池以及离子分离方面的应用,为下一代COF膜提出了新的发展方向。

 


论文最后总结了COF膜目前面临的挑战,包括COF成核以及生长机制的确定,无缺陷COF膜的大规模制备方法以及孔径小于1 nm COF膜的制备等方面都迫切需要新的突破。针对这些挑战,文章进一步指出开发新型COF膜的新策略,例如,通过计算的方法预测结构和功能有助于COF形成机制的研究,通过3D打印的技术有望用于COF膜的制备过程等等。这些观点的论述为COF膜领域的研究提供了相应的指导并有助于激发创造性的研究。


相关论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238524000493?dgcid=author


邵路教授主页:

http://homepage.hit.edu.cn/shaolu?lang=zh 


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