【创新前沿】我校在静电锚定金属有机框架中配体旋转强化分子筛分研究中获新进展

稿件来源:化工学院   |作者:徐至   |摄影:化工学院   |编辑:   |浏览量:10

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近日,我校化工学院徐至教授等提出了一种通过分子静电锚定配体旋转来强化CO2/N2筛分的策略。研究人员利用静电分子,锚定ZIF-8中配体的旋转,构建了刚性均一的气体分子传输通道,实现了CO2和N2分子的精准筛分。相关成果以“金属有机框架中静电锚定柔性配体的旋转使CO2/N2高效分离”为题发表在《德国应用化学》上。

近年来,金属有机骨架(MOF)材料因其孔径均匀、尺寸可调等优点而成为气体分离领域的研究热点。然而,MOF材料的框架柔性,如配体的不可控旋转,导致的较大孔道范围使其在小分子气体分离中选择性较低,难以实现高效的精准筛分。因此,设计抑制MOF框架柔性,构建刚性孔道的新方法是制备下一代高性能膜的迫切需求。

图片说明:配体旋转锚定ZIF-8的形貌、结构表征

该工作通过三氟乙酸盐与ZIF-8中配体的静电作用实现配体旋转的锚定。N2吸附等温线测试结果表明ZIF-8气体吸附过程中的配体旋转产生的“呼吸效应”被显著抑制。配体锚定导致的均匀配体定向产生了新的11.1°的XRD衍射峰。进一步的DFT理论计算表明三氟乙酸根优先在ZIF-8中的六元窗口与配体作用,并在窗口中心位置达到热力学稳定状态。ZIF-8配体的锚定构建了3.4 Å的孔道尺寸。

图片说明:配体旋转锚定前后ZIF-8的CO2/N2吸附和膜分离性能对比

配体旋转的锚定使ZIF-8的CO2/N2吸附选择性从14.02提高至332.86。在吸附测试压力范围内没有观察到明显的N2吸附,进一步用耗散型石英晶体微天平吸附测试验证了锚定后ZIF-8窗口对N2的阻隔作用。相应的膜分离应用表明,相比于ZIF-8复合膜,配体旋转锚定ZIF-8复合膜的选择性提高了2倍。此外,三氟乙酸根增强了锚定后MOF与聚合物基质间的相互作用,提高了MOF孔道的利用率,实现了通量和选择性的同步提高。

图片说明:配体旋转锚定ZIF-8复合膜的气体分离性能

配体旋转锚定ZIF-8复合膜的性能超过了目前已报道的大多数分离膜。进一步对比了以聚合物基质为基准的分离性能增强比例,配体旋转锚定ZIF-8的引入将聚合物膜的通量提高了1倍,选择性提高了近3倍。该工作为在柔性MOF中锚定配体旋转,实现精准分子筛分提供了新的思路。

该研究工作第一作者为我校化工学院2018级博士研究生渠凯和南京工业大学特聘教授黄康。通讯作者为化工学院徐至教授。该研究工作得到了我校郭旭虹教授和练成特聘研究员的大力支持,并得到了国家重点研发计划和自然科学基金的资助。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202213333


发布时间:2022-10-13
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