高效脱盐新突破：消除 UiO-66-NH2膜晶格缺陷实现高精度海水淡化

为解决 Zr-MOF 膜框架缺陷影响分子筛分能力和操作稳定性的问题，研究人员开展了制备无缺陷 UiO-66-NH2膜用于高效脱盐的研究。结果显示优化条件下制备的膜金属离子截留率高、稳定性好，远超多数 3D 膜，为 MOF 膜制备提供新思路。

　　在水资源日益紧张的当下，海水淡化成为获取淡水资源的重要途径。传统的聚合物膜在海水淡化应用中存在诸多不足，如低水通量和膜污染问题，这严重限制了其大规模应用。金属有机框架（MOF）膜凭借高比表面积、可定制微孔结构和丰富功能基团，有望成为解决这些问题的新选择。其中，Zr-MOF 因出色的化学和水稳定性备受关注，UiO-66-NH₂作为 Zr-MOF 的典型代表，具有非凡稳定性和亲水性，其表面的 -NH₂基团在海水中带正电，能与阳离子产生静电排斥，理论上可实现高金属离子截留率 。然而，UiO-66-NH₂膜的晶格缺陷会影响其筛分精度，消除这些缺陷成为提升其性能的关键难题。

为攻克这一难题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项关于制备无缺陷 UiO-66-NH₂膜用于高效脱盐的研究。研究人员提出了一种框架缺陷修补策略，利用 Zr₆O₄(OH)₄(OAc)₁₂簇源制备 UiO-66-NH₂膜。研究结果令人振奋，该研究不仅成功消除了 UiO-66-NH₂膜的晶格缺陷，而且制备出的膜在脱盐性能上表现卓越。优化条件下制备的 UiO-66-NH₂膜对 Al³⁺的截留率高达 97.7%，水通量达到 232.185 mol?m^?2·h^?1 ，水 / NaCl 分离性能远超多数已报道的多晶 3D 膜，并且在 20 天的运行测试中表现出良好的稳定性。这一研究成果发表在《Advanced Membranes》，为高性能 MOF 膜的制备开辟了新方向，有望推动海水淡化技术的革新。

在研究方法上，研究人员主要采用了以下关键技术：首先是化学合成法，通过精确控制反应条件，制备 Zr₆O₄(OH)₄(OAc)₁₂簇、UiO-66-NH₂种子，并在多孔 α-Al₂O₃基底上沉积种子层，再进行外延生长制备 UiO-66-NH₂膜；其次运用多种表征技术，如扫描电子显微镜（SEM）观察样品形貌、X 射线衍射（XRD）分析物相、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）确定基团、热重分析（TG）评估框架缺陷等；最后通过死端模式的脱盐测试，测定膜的渗透速率和离子截留率。

研究结果

1. UiO-66-NH₂种子的制备：以 Zr₆O₄(OH)₄(OAc)₁₂簇为锆源合成 UiO-66-NH₂种子，SEM 图像显示不同条件下合成的种子均为均匀八面体形态，尺寸分布在 200 - 400 nm。XRD 和 FT-IR 分析表明合成温度对相纯度影响不大，且成功合成了含 -NH₂基团的 UiO-66-NH₂种子。TG 分析发现，随着反应温度升高和 BDC-(NH₂)/Zr 比例增加，UiO-66-NH₂框架中缺失连接体数量减少。
2. UiO-66-NH₂膜的制备：通过旋涂将 UiO-66-NH₂种子涂覆在多孔 α-Al₂O₃基底上形成种子层，SEM 显示种子层均匀致密，厚度为 400 - 600 nm。随后进行外延生长，制备出不同条件下的 UiO-66-NH₂膜。SEM 和 XRD 结果表明，这些膜生长良好，均为纯 UiO-66-NH₂相且无择优取向，膜厚度有所增加。
3. UiO-66-NH₂膜的织构性质：对沉淀在容器底部的 UiO-66-NH₂粉末进行分析，TG 结果表明升高反应温度或增加配体与 Zr₆O₄(OH)₄(OAc)₁₂簇的比例可减少框架中缺失连接体数量。N₂吸附 - 脱附测试显示，缺失连接体数量影响膜的织构性质，UiO-66-NH₂-P_120/12的微孔体积、孔径和 BET 比表面积减小，且 UiO-66-NH₂-M_120/12的水接触角较低，有利于提高水通量。
4. UiO-66-NH₂膜的分离性能：在死端系统中对不同水合金属离子进行截留测试，结果表明 UiO-66-NH₂膜的离子截留率随金属离子水合直径增大而升高，且在相同离子条件下，框架中缺失连接体数量减少可提高截留率。UiO-66-NH₂-M_120/12对 Al³⁺截留率最高，达到 97.7% ，水 / NaCl 选择性高达 1600，水通量为 232.185 mol?m^?2·h^?1 。此外，该膜在不同操作压力下稳定性良好，长期运行 20 天，截留率和渗透速率波动小。

研究结论与讨论

本研究成功通过高概率配体 - 金属配位策略消除了 UiO-66-NH₂膜的晶格缺陷，制备出的膜基于尺寸筛分机制，对水合金属离子具有优异的截留率，水 / NaCl 分离性能出色，且在长期运行中表现稳定。这一成果为高性能 MOF 膜的制备提供了新的思路和方法，有助于推动海水淡化技术的发展，在水资源领域具有重要的应用前景。同时，该研究也为进一步优化 MOF 膜性能、探索其在其他领域的应用奠定了基础，有望引发更多相关研究，促进 MOF 材料在分离领域的广泛应用。