三苯胺功能化的金属有机框架NH2-MIL-101(Fe)用于高效去除废水中的罗沙酮

《Microporous and Mesoporous Materials》:Triphenylamine functionalized metal-organic framework NH 2-MIL-101 (Fe) for efficient removal of roxarsone from wastewater

【字体: 时间:2025年09月19日 来源:Microporous and Mesoporous Materials 4.7

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  构建二维分级孔道金属有机框架膜及其在催化与分离中的应用,采用软喷雾技术与模板辅助策略,通过调节反应溶液成功制备高结晶度的HP ZIF-8和HP ZIF-8/PVA二维膜,解决了溶剂添加对模板组装的干扰问题,分别在Knoevenagel反应催化和油水分离中展现优异性能。

  
陈俊毅|齐宏超|郭燕|徐航|范福强|傅宇|田卫良
塔里木大学化学与化学工程学院,新疆维吾尔自治区阿拉尔市,843300,中国

摘要

构建层次有序孔结构的金属有机框架(HP MOFs)因其改进的质量扩散和传输动力学而受到越来越多的关注。然而,大多数报道的HP MOFs都具有三维形态。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。本文结合软喷雾技术和模板辅助策略,通过改变反应溶液,制备了两种不同的HP ZIF-8和HP ZIF-8/PVA膜。所制备的HP ZIF-8膜具有高结晶度、层次有序的孔径和二维形态,在有机催化和乳液分离方面显示出潜在的应用价值。

引言

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。

材料与仪器

无水醋酸锌(98%)、2-甲基咪唑(98%)和丙二腈均来自上海麦克林生化科技有限公司(中国)。聚苯乙烯乳胶分散液(粒径:400 nm)购自武汉华科伟科科技有限公司。聚乙烯醇(PVA, 1799)购自天津化学试剂有限公司(天津,中国)。其他所有溶剂均购自中国医药化学试剂有限公司。

结果与讨论

首先研究了HP ZIF-8膜的制备条件。当溶液中含有金属离子或配体时,PS乳胶无法在溶液界面良好分散(图S1)。因此,我们将PS溶液逐滴加入纯水中以组装PS模板。加入PS溶液后,在空气-水界面出现了彩虹色,表明PS乳胶已有序组装(图1a)。之后,加入一定量的2-甲基咪唑溶液

CRediT作者贡献声明

陈俊毅:撰写——初稿撰写、实验研究、数据整理。齐宏超:实验研究、数据整理。郭燕:实验研究、数据整理。徐航:形式分析、数据整理。范福强:撰写——初稿撰写、方法设计。傅宇:项目监督、项目管理。田卫良:项目监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了以下机构的财政支持:国家自然科学基金(22475032、22175030、22365025);中央政府引导地方科技发展资金(2022ZY015)、南疆科技项目(2023AB028)、有机与无机复合材料国家重点实验室开放实验室(oic-202301006);专利转化与应用及产业化项目(BTSCJGJ-ZSCQ-2024004);辽宁省自然科学基金(2023-MSBA-055);
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