JMS：將陰離子COF納米片納入MOF膜，實(shí)現(xiàn)丙烯/丙烷分離的高選擇性

本研究通過(guò)將帶負(fù)電的羧基化共價(jià)有機(jī)框架納米片引入金屬有機(jī)框架膜中，成功制備出一種高性能的丙烯/丙烷分離膜。研究團(tuán)隊(duì)采用電化學(xué)共沉積法，將COF納米片與ZIF-8共同沉積在多孔載體上，構(gòu)建出MOF-COF混合基質(zhì)膜。帶負(fù)電的COF納米片能夠通過(guò)靜電作用富集鋅離子，并通過(guò)界面配位促進(jìn)ZIF-8的成核與生長(zhǎng)，在減少晶界缺陷的同時(shí)，借助COF的納米通道降低氣體傳質(zhì)阻力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的復(fù)合膜在丙烯/丙烷分離中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，選擇性和滲透通量相比純ZIF-8膜均有顯著提升。該膜在長(zhǎng)期運(yùn)行中保持穩(wěn)定，且在較高壓力下仍具有可恢復(fù)的分離性能。通過(guò)系列表征，研究揭示了COF納米片與ZIF-8之間的多重界面相互作用，包括配位鍵、氫鍵以及靜電作用，這些協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)了膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和分子篩分能力。此外，該策略還可拓展至多種不同羧基官能團(tuán)的陰離子COF，證明了方法的普適性。本研究為設(shè)計(jì)高性能氣體分離膜提供了新思路，通過(guò)將MOF的精確篩分能力與COF的低阻力傳質(zhì)通道相結(jié)合，有望推動(dòng)能源密集型烯烴/烷烴分離過(guò)程的節(jié)能降耗。

文獻(xiàn)要點(diǎn)

1.創(chuàng)新制備方法: 研究采用電化學(xué)共沉積法，首次將陰離子COF納米片引入ZIF-8膜中，成功構(gòu)建了MOF-COF混合基質(zhì)膜，方法簡(jiǎn)便且可擴(kuò)展至多種羧基化COF。

2.雙重功能調(diào)控:帶負(fù)電的羧基化COF納米片作為模板富集鋅離子，通過(guò)靜電作用和界面配位促進(jìn)ZIF-8成核生長(zhǎng)，同時(shí)COF納米通道降低傳質(zhì)阻力，減少晶界缺陷。

3.優(yōu)異分離性能:優(yōu)化后的復(fù)合膜在丙烯/丙烷分離中表現(xiàn)出高選擇性和高通量，性能較純ZIF-8膜顯著提升，且在長(zhǎng)期運(yùn)行和較高壓力下保持穩(wěn)定。

4.多重界面協(xié)同:COF與ZIF-8之間形成Zn-O配位鍵、氫鍵和靜電相互作用，多重界面協(xié)同增強(qiáng)了膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有效抑制壓力誘導(dǎo)的缺陷形成。

5.普適性設(shè)計(jì)策略:該制備方法適用于多種不同羧基官能團(tuán)的陰離子COF，為設(shè)計(jì)高性能MOF-COF復(fù)合膜用于能源密集型氣體分離提供了通用平臺(tái)。

圖文詳情

圖1. 本工作示意圖。通過(guò)在MOF前驅(qū)體溶液中引入羧基化COF納米片制備MOF-COF混合基質(zhì)膜。

圖2. TpBDCA的表征。(a) TpBDCA納米片的AFM圖像及丁達(dá)爾效應(yīng)照片；(b) TpBDCA納米片的HRTEM圖像及FFT圖；(c) TpBDCA粉末的實(shí)驗(yàn)與模擬XRD譜圖；(d) TpBDCA前驅(qū)體及TpBDCA納米片的FTIR光譜；(e) TpBDCA+ZIF-8體系的Zeta電位；(f) QCM測(cè)得的TpBDCA對(duì)Zn2?的吸附曲線（紅色）和對(duì)2-甲基咪唑的吸附曲線（藍(lán)色）。

圖3. MOF-COF混合基質(zhì)膜的表征。(a) ZIF-8膜的頂視圖（上）和截面圖（下）SEM圖像；(b) TpBDCA-ZIF8-3膜的頂視圖（上）和截面圖（下）SEM圖像（比例尺為1 μm）；(c) ZIF-8膜及TpBDCA-ZIF8膜的XRD譜圖；(d) ZIF-8膜及TpBDCA-ZIF8膜的FTIR光譜；(e) ZIF-8膜、TpBDCA納米片及TpBDCA-ZIF8膜的C 1s高分辨XPS分峰擬合譜圖；(f) TpBDCA-ZIF8-3膜的N 1s高分辨XPS分峰擬合譜圖。

圖4. TpBDCA-ZIF8的氣體分離性能。(a)不同納米片負(fù)載量的TpBDCA-ZIF8膜的丙烯/丙烷氣體分離性能；(b) TpBDCA-ZIF8-2膜的長(zhǎng)期丙烯/丙烷分離穩(wěn)定性（等摩爾丙烯/丙烷混合氣，25°C，進(jìn)料壓力1.1 bar）；(c)不同進(jìn)料壓力下TpBDCA-ZIF8膜的丙烯/丙烷分離性能；(d) TpBDCA-ZIF8-2膜與文獻(xiàn)報(bào)道的高性能膜丙烯/丙烷分離性能對(duì)比。

圖5. MOF-COF混合基質(zhì)膜的頂面和截面SEM圖像。(a, d) TpPAC-ZIF8；(b, e) TpPAD-ZIF8；(c, f) TpBDSA-ZIF8（比例尺為1 μm）。不同納米片負(fù)載量的MOF-COF混合基質(zhì)膜的丙烯/丙烷氣體分離性能（等摩爾丙烯/丙烷混合氣，25°C，進(jìn)料壓力1.1 bar）；(g) TpPAC-ZIF8；(h) TpPAD-ZIF8；(i) TpBDSA-ZIF8。

文獻(xiàn)詳情

Title: Incorporating Anionic COF Nanosheets into MOF Membranes for High Selectivity in Propylene/Propane Separation

Authors: Wen Wang, Mingang Zhao , Quan Zhao, Yong-Jun Tian , Ziheng Song, Md Badiuzzaman Wadud, Qianfeng Pan, Jianyu Wang, Hanze Ma, Sheng Yuan, Shilin Guo, Yanxiong Ren, Xuerui Wang, Guangwei He*, Zhongyi Jiang

To be cited as :J. Membr. Sci.2026, 125386.

DOI：10.1016/j.memsci.2026.125386

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