配体调控Zr-MOF膜孔结构实现高效碳酸二甲酯渗透蒸发脱水

本文提出了一种通过调控羧酸配体长度和空间位阻来构建具有可调孔结构的Zr-MOF（金属有机框架）膜的创新策略。研究发现，采用最短的线性配体H2FUM（富马酸）所制备的Zr-FUM-MOF膜，其表面亲水性增强、孔径减小，从而在碳酸二甲酯（DMC）脱水过程中实现了水分子快速、选择性传输，获得了高达~5100 g m?2 h?1的通量和~2030的分离因子，性能超越现有顶级膜材料。该研究为精准调控MOF膜孔结构以实现高效分子分离提供了新途径。

　　

Highlight

Materials

八水合氯氧化锆 (ZrOCl₂·8H₂O, 98%) 和 1,4-苯二甲酸 (H₂BDC, 98%) 购自Sigma-Aldrich。1H-吡唑-3,5-二甲酸 (H₂PZDC, 97%) 由麦克林生化有限公司提供。富马酸 (H₂FUM, 99%) 购自赛默飞世尔科技。乙酸 (CH₃COOH, 99.5%)、N,N-二甲基甲酰胺 (DMF, C₃H₇NO, ≥99.5%)、甲酸 (HCOOH, ≥98.0%) 和甲醇 (CH₃OH, 98.0%) 由中国国药集团化学试剂有限公司提供。碳酸二甲酯 (DMC, C₃H₆O₃, 99.9%) 购自阿拉丁生化科技有限公司。实验用水均为去离子水。所有化学品均未经进一步纯化直接使用。

Membrane fabrication and characterization

我们最初采用界面生长法，以对苯二甲酸 (H₂BDC) 作为有机配体合成了Zr-MOF膜（标记为Zr-BDC-MOF）。将空白尼龙基底固定在一个自制的U形玻璃装置的中间。此处选择尼龙膜作为基底，是因为其优异的耐化学性和低传输阻力。然而，遗憾的是，我们未能获得连续的MOF膜。这可能是由于在基底表面缺乏足够的成核位点所致。

Conclusions

总之，我们探究了羧酸配体（H₂BDC, H₂PZDC, H₂FUM）的长度和空间位阻对Zr-MOF膜孔特性及有机溶剂脱水性能的影响。合理选择的、长度最短的线性H₂FUM配体增强了膜表面亲水性并缩小了膜孔径，从而促进了水分子的快速、选择性传输。结果表明，Zr-FUM-MOF膜在碳酸二甲酯/水分离中表现出优异的性能。