浙大校友唯一通讯！COF膜，再登Science子刊！
学术
2024-12-27 08:18
河南
共价有机框架（COFs）是一类由轻元素构建块通过共价键连接形成的晶态多孔材料，因其高比表面积、可调结构和优异的化学稳定性，被广泛应用于催化、储能和分离等领域。与传统的聚合物或无机膜材料相比，COF膜具有结构可设计性强、耐化学性优异等优点。然而，目前商业化膜材料普遍存在透过性低、化学稳定性不足和结构调控范围有限等问题。这些问题在有机溶剂纳滤（OSN）领域尤为突出，为实现高效分离带来了重大挑战。为了解决这一问题，新加坡国立大学赵丹（浙大校友）等人在Science Advances期刊上发表了题为“Solvent-responsive covalent organic framework membranes for precise and tunable molecular sieving”的最新论文。该团队通过界面合成策略，制备了一种具有溶剂响应性结构灵活性的COF膜——Tp-TAPT膜。Tp-TAPT膜由1,3,5-三甲酰基间苯三酚（Tp）和2,4,6-三（4-氨基苯基）-1,3,5-三嗪（TAPT）单体合成，展现出高结晶性和优异的化学稳定性。研究表明，该膜在极性有机溶剂中发生层间滑移，从而形成亚纳米孔隙，赋予其高选择性分离能力。利用这种溶剂响应行为，Tp-TAPT膜在有机溶剂纳滤中表现出卓越的性能，其拒绝率超过99%，透过通量达到15千克米⁻²小时⁻¹巴⁻¹以上。此外，该膜在多种极性有机溶剂中展现出优异的抗溶剂稳定性和机械性能。通过模拟和实验结合，研究团队进一步揭示了膜结构变化的分子机制。这一研究为智能响应型COF膜的开发提供了新思路，并为高效有机溶剂分离技术的应用奠定了基础。(1) 实验首次制备了具有溶剂响应结构灵活性的COF Tp-TAPT膜，通过界面合成法将Tp和TAPT单体在有机相和水相界面反应，成功得到具有高结晶度和优异化学稳定性的COF膜。制备过程中，通过真空辅助过滤将COF膜转移至经聚多巴胺改性的PVDF基底上，获得厚度约为150 nm且表面光滑无缺陷的膜材料。(2) 实验通过溶剂响应行为实现了膜结构的动态调控。在极性有机溶剂环境中，COF Tp-TAPT膜表现出层间滑移的行为，从AA堆叠转变为准AB堆叠，形成亚纳米孔隙结构。这种结构调控显著提高了膜的选择性，为制备智能响应型膜材料提供了新的思路。(3) 实验结果显示COF Tp-TAPT膜在多种纳滤应用中表现出优异性能。实验验证了膜在极性溶剂中的高选择性（拒绝率>99%）和高通量（>15千克米⁻²小时⁻¹巴⁻¹），并具备卓越的有机溶剂耐受性。这些特性使其在处理有机溶剂方面展现出广阔的应用前景。(4) 实验利用多种表征手段确认了膜的微观结构与性能。通过PXRD、FTIR、FESEM和AFM等技术，证明了COF Tp-TAPT膜的高结晶度、光滑表面和稳定的亚纳米孔隙结构；同时通过模拟验证了溶剂响应过程中膜层间滑移的机理。这些发现为开发新型智能纳滤膜奠定了基础。图2. 溶剂化COF Tp-TAPT薄膜结构变化的模拟。本文展示了溶剂响应性COF膜在结构灵活性上的优越性，通过可调节的膜结构来提升渗透性和选择性，这对高效的有机溶剂纳滤（OSN）应用具有重要意义。相比传统的聚合物膜，COF膜的渗透性提升了两个数量级，显示出在工业应用中的巨大潜力。其次，研究中提出的普适性界面合成方法为COF膜的制备提供了一种新的思路，可以在不同的溶剂环境下实现膜结构的可调节性。这一发现可能推动未来高性能多孔膜的设计，不仅限于溶剂分离，还可扩展至气体分离、环境修复等领域。此外，基于框架动力学的膜设计理念，有望在未来的膜材料研发中成为关键方向，提升膜的长期稳定性和选择性，推动可持续发展目标的实现。Hao Yang et al. ,Solvent-responsive covalent organic framework membranes for precise and tunable molecular sieving.Sci. Adv.10,eads0260(2024).DOI:10.1126/sciadv.ads0260🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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