金属有机框架(MOFs)是一种结晶多孔材料,由金属离子/簇和有机配体的协同组装构成[[1], [2], [3], [4], [5]]。得益于其极大的比表面积、规则的孔结构以及可控的化学和物理性质,MOFs在催化、分离、能量存储和生物医学等领域展现出巨大的应用潜力[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]]。然而,大多数MOFs主要处于微孔范围(<2 nm),这导致大尺寸底物的质量传输阻力较大,严重限制了MOF材料的应用。
构建层次有序孔结构的MOFs(HP MOFs)可以通过整合多尺度孔结构来增强分子的可及性和传输动力学[[15], [16], [17], [18]]。目前的HP MOFs合成策略包括断裂连接基团、后合成蚀刻和模板引导组装[[19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]]。其中,模板引导组装策略因其非破坏性的晶体结构、可均匀调节的孔径以及潜在的大规模制备能力而受到更多关注。近年来,已经使用了多种模板,包括离子液体、嵌段共聚物、表面活性剂和聚苯乙烯等,从而制备出了多种HP MOFs[[28], [29], [30], [31], [32]]。然而,大多数报道的HP MOFs仍然是三维形态。由于在组装好的模板中加入溶剂会带来显著干扰,因此制备二维HP MOF膜仍然具有挑战性。
软喷雾技术是一种有效的方法,可以最小化加入溶液对界面的干扰[[33,34]]。我们已成功利用软喷雾技术制备了多种混合材料,包括MOF膜、COF膜和混合基质膜[[35], [36], [37], [38], [39], [40]]。在此,我们采用软喷雾技术和模板辅助策略制备了层次有序孔结构的金属有机框架膜。首先,我们利用Langmuir-Blodgett方法在空气-水界面组装了聚苯乙烯(PS)乳胶形成硬模板。随后,向PS溶液中缓慢加入2-甲基咪唑,然后将含有锌离子的溶液喷涂在其上。随着喷雾的进行,在空气-液体界面生成了ZIF-8/PS膜。去除PS模板后,得到了HP ZIF-8膜(方案1)。通过在2-甲基咪唑溶液中加入聚乙烯醇(PVA)成分,还可以制备出更稳定的HP ZIF-8/PVA混合基质膜。所制备的HP ZIF-8膜具有高结晶度和有序的孔径,在Knoevenagel反应中表现出优异的催化活性和可回收性。此外,制备的HP ZIF-8/PVA膜可用于油水乳液的分离,表现出良好的分离效率和高的水通量。