综述：纳米尺度上的协同作用：MOF（金属有机框架）与聚合物在薄膜纳米复合膜中的集成，用于先进的分离技术

《Desalination》：Synergy at the nanoscale: MOF-polymer integration in thin-film nanocomposite membranes for advanced separation

　　

Fatemeh Bagri|Najmeh Sarvari|Mir Mehdi Zekavat|Milad Begri|Yaghoub Mansourpanah

伊朗德黑兰沙里夫理工大学融合科学与技术研究所纳米科学与纳米技术中心，邮编：14588-89694

摘要

将金属-有机框架（MOFs）整合到薄膜纳米复合材料（TFN）膜中，作为一种有效方法来提高薄膜复合（TFC）膜在高级分离应用中的性能，已经受到了越来越多的关注。本文批判性地回顾了MOF改性TFN膜在设计和制备方面的最新进展，特别强调了不同的MOF整合策略如何影响聚酰胺层的形成、传输性能和脱盐效果。系统地比较了多种整合方法（包括界面聚合、表面涂层、原位生长和混合矩阵嵌入）对膜形态、反应-扩散行为、界面兼容性、缺陷生成以及脱盐条件下的长期运行稳定性的影响。除了MOF的化学性质外，还讨论了MOF纳米粒子的特性（如粒子大小、孔结构、表面功能性和分散均匀性）对反渗透和纳滤膜的水渗透性、盐排斥能力、抗污染能力和耐氯性的影响。重要的是，本文填补了现有文献中的空白，表明MOF整合途径的选择在决定TFN脱盐膜的结构-性能-关系方面起着决定性作用，这超出了MOF组成或负载本身的影响。文章还指出了与可扩展性、可重复性和在高盐度和压力下的耐久性相关的关键挑战，并提出了未来的研究方向，以促进基于MOF的TFN膜在脱盐过程中的实际应用。

部分摘录

名称和缩写

基于层的薄膜纳米复合材料逐层沉积生命周期评估Langmuir-Schaefer微滤金属-有机框架MOF纳米粒子纳滤纳米粒子纳米粒子聚酰胺聚醚砜聚酰亚胺哌嗪聚（4-苯乙烯磺酸钠）

缩写	全名
AFM	原子力显微镜
BET	Brunauer–Emmett–Teller
FO	正向渗透
FT-IR	傅里叶变换红外光谱
IP	界面聚合
ITFN
LBL
LCA
LS
MF
MMMs混合矩阵膜
MOF
MOF NPs
NF
NP
NPs
PA
PES
PI
PIP
PSS
PSF

金属-有机框架纳米粒子

MOFs是由金属离子或团簇与有机连接剂配位形成的晶体多孔材料

MOF纳米粒子的合成受到成核和生长过程的控制，通常用LaMer模型来描述。关键参数如前体浓度、金属-配体配位动力学和混合条件决定了粒子的大小、形态和分布。因此，MOF纳米粒子（NPs）被定义为尺寸可控的

薄膜复合膜

TFC膜是现代压力驱动分离技术的核心架构，包括反渗透（RO）和纳滤（NF）[84], [85], [86]。它们的广泛应用源于机械支撑与选择性传输的分离：多孔基底提供了机械强度，而通常厚度在几十到几百纳米之间的超薄聚酰胺（PA）层则负责溶质的排斥。这种不对称设计能够在保持运行稳定性的同时实现高渗透性

将MOFs整合到TFN膜中已成为一种广泛采用的策略，以改善其渗透性、选择性和抗污染能力，超越了传统的TFC架构。所得选择性层的结构高度依赖于MOFs的引入方式和空间分布，因为不同的整合方式会产生不同的PA形态、缺陷倾向和传输路径。因此，MOF整合策略通常被分为五类：

MOF掺杂的TFN膜已经从简单的“通量增强”概念发展成为多功能、针对特定应用的平台，结合了高渗透性、可调选择性、抗污染能力，在某些情况下还具有催化或电化学功能。这些特性使其能够应用于水处理和废水处理、离子选择性分离、资源回收、渗透驱动的过程、催化自清洁、气体分离以及新兴的电膜系统

尽管在MOF增强TFN膜方面取得了显著进展，但其更广泛的应用仍受到若干相互关联的材料、结构和实际挑战的限制。其中，纳米粒子团聚是最突出的限制之一。由于MOF纳米粒子具有较高的表面能，在IP过程中（特别是在PA层中负载较高时），它们容易聚集[202]。这些聚集体可能会产生非选择性的孔隙，导致不必要的溶质透漏

人工智能（AI）和机器学习（ML）正在快速推动膜材料的预测性和数据驱动设计及优化。基于MOF和薄膜纳米复合材料（TFN）的膜特别适合这类方法，因为它们具有高度可调的结构和化学特性。AI与MOF化学和TFN架构的结合为探索复杂的设计空间提供了强有力的框架，包括MOF的选择、表面功能化等

结论

本文全面分析了MOFs在TFN膜中的整合，重点关注了合成策略、界面工程技术以及在不同分离应用中的性能表现。研究并比较了几种制备技术（包括界面聚合、表面涂层、原位生长、混合矩阵嵌入、逐层组装和真空辅助沉积），基于它们的结构和功能贡献进行了评估。这些方法被证明

Fatemeh Bagri：撰写 – 原稿撰写，调查，数据整理。Najmeh Sarvari：撰写 – 原稿撰写，调查。Mir Mehdi Zekavat：撰写 – 原稿撰写，调查。Milad Begri：撰写 – 原稿撰写，调查。Yaghoub Mansourpanah：撰写 – 审稿与编辑，调查，概念构思。

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作者声明他们没有已知的会影响到本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。