Chem Mater.：形貌可调MOF纳米片用于CO2气体分离

本文作者开发了一种简便的方法来合成沸石型咪唑盐骨架长方体(ZIF-C)纳米薄片，其厚度可在70 - 170纳米之间进行调节。通过x射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、x射线光电子能谱(XPS)、N2吸附和热重分析(TGA)等技术对制备的ZIF-C纳米片进行表征，以了解其组成和结构特性。将合成的不同厚度的ZIF-Cs纳米片进一步用作纳米过滤器，制备pebax基混合基质膜(MMMs)，研究不同相对湿度(RH)条件下的形态对膜性能和CO₂/N₂分离性能的影响。

结果表明，这些ZIF-Cs的掺入同时提高了混合基质膜的CO₂渗透性和CO₂/N₂选择性。此外，ZIF-C纳米片厚度最大的MMMs表现出更好的性能。已有文献证明，CO₂渗透性为387.2 Barrer, CO₂/N₂选择性为47.1，与含较薄纳米薄片的膜相比，CO₂渗透性几乎增加了一倍，选择性略有增加。

然而大多数MMMs的性能仍然远远低于理论预测值。在各种原因中，填料的几何形状是影响填料与聚合物基体界面形貌的关键因素。球形是MMMs中最常用的填料形状。研究人员发现填充剂的大小对MMMs的最终性能有显著影响。根据经验，尺寸较小的MOFs具有更高的外部表面积，因此可以预期聚合物和纳米颗粒之间的界面面积会更大。然而，制备高结晶的MOF纳米颗粒在热动力学上是不利的，在技术上也是具有挑战性的。另一方面，小颗粒的团聚趋势比大颗粒更明显，导致填料的分散性差。因此，纳米颗粒粒径的优化是需要考虑的问题。

目前的研究揭示了多层膜复合材料作为纳米材料的巨大潜力。到目前为止，大多数MOF纳米片是通过自上而下或自下而上的方法制备的。自上而下的方法通常是通过机械力(如超声处理)将片状的MOF从大块的MOFs中剥离出来，而自下而上的方法则是通过精确控制反应条件(如调节溶剂或使用表面活性剂)直接合成片状的MOF。尽管片层状MOFs的合成方法多种多样，但仍迫切需要一种简便、经济、厚度和形貌可控的片层状MOFs合成方法。

 图1. 图片概要

    总之，该方法为制备尺寸和厚度可控的ZIF-C纳米片提供了一种简便易行的方法。合成的ZIF-C纳米片可作为MMMs中有前途的纳米填料用于提高CO2的分离性能。

图二. 形态学

(A) ZIF-C 30−70, (B) ZIF-C 72, and (C) ZIF-C 85−124 nanosheets and (D) FTIR spectra, (E) TGA curves, and (F) XRD results of ZIF-C nanosheets prepared in PVA solutions.

文章链接:

Morphologically Tunable MOF Nanosheets in Mixed Matrix Membranes for CO2 Separation

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c00020

老师简介:

Liyaun Deng Professor

Research area: Gas separation membranes, Membrane contactors ,Separation process design

Research interest: Facilitated transport membranes, Nanocomposite membranes, Hybrid membranes, CO₂ membrane absorption, Application of Ionic liquids for CO₂ separation, Application of enzymes and their synthetic mimicries for CO₂ separation, Natural gas sweetning, Biogas upgrading, CO₂ capture from flue gas, CO₂ capture process simulation/optimization.

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