北理大爆发，连续两周发表Science！

上周，北京理工大学王博教授和冯霄教授（共同通讯作者）等人在Science上发表成果Covalent organic framework–based porous ionomers for high-performance fuel cells，将基于共价有机框架（COF）的多孔离聚物应用于燃料电池中，实现了电池性能的突破。

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就在昨天，北京理工大学又发一篇！化学与化工学院赵之平教授和冯英楠助理教授在Science上发表文章Highly flexible and superhydrophobic MOF nanosheet membrane for ultrafast alcohol-water separation，合成了高度柔韧和超疏水MOF纳米片膜，实现了酒精-水的超快分离。

金属有机框架（MOF）因其特定的吸收亲和力、高设计性以及多样的孔隙结构和尺寸而受到广泛研究。高孔隙MOF已被嵌入聚合物基质中，以制备混合基质膜（MMM）。然而，MMM中的运输途径仍然由聚合物基质主导。除MMM外，衬底支持的异质外延生长的MOF膜在液体分离中的应用有限。对晶体生长和缺陷的控制不力导致分离性能不令人满意。无机圆盘和金属网是MOF膜报告最多的基材，但它们几乎无法扩展。具有良好可加工性的聚合物基材是批量生产的首选。此外，与三维MOF膜相比，定向二维MOF纳米片（MOF-NS）膜通常具有良好的分离性能。然而，由于刚性MOF和柔性衬底之间的冲突，MOF纳米片在聚合物基质上的控制生长具有挑战性。

作者优化了膜的制备过程，没有将MOF分散到聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中，而是在聚合物基质（PVDF）上生长了一层连续均匀的嵌入式MOF晶种（ZIF-8），然后用PDMS涂层密封。该过程产生了具有高柔韧性和快速分子传输通道的蜂窝状结构，这是MOF-NS膜最期望的结构，同时具有大比表面积和高粗糙度。

用电子显微镜捕获了柔性MOF-NS和垂直层间通路的可逆变形。分子模拟证实了该结构，并揭示了传输机制。MOF-NS中的超快运输通道在40°C下5%乙醇-水的渗透率中表现出超高通量和8.9的分离系数，可用于生物燃料回收。MOF-NS和聚二甲基硅氧烷协同促进了分离性能。

图1. MOF-NS/PVDF膜的制备过程和结构

图2. MOF-NS/PVDF膜的高度柔韧结构

图3. PDMS改性MOF-NS/PVDF膜的滴定涂覆过程、结构和表面特性

图4. 膜的渗透蒸发性能和模拟传输通道以及形貌对进料流动行为的影响

通讯作者

赵之平教授，北京理工大学化学与化工学院教授、博士生导师，国家自然科学基金、国家重点研发计划和国家“863”新材料领域评审专家、国际清洁能源论坛（澳门）理事、北京膜学会监事长、《膜科学与技术》编委、Adv. Membr. 编委、分离膜与膜工程国家重点实验室专家委员会委员等。主要研究方向膜材料与分离技术、生物质能源化工。先后主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、北京市自然科学基金等项目10余项。迄今发表学术论文150余篇，其中SCI收录期刊论文80余篇，获授权专利11件。

冯英楠，北京理工大学化学与化工学院预聘助理教授/特别副研究员，研究方向为：有机膜制备工艺、成膜机理与膜结构调控、膜过程传递理论与分离机理、膜法水处理、耐溶剂有机膜及有机溶剂纳滤。荣誉奖励：The 12th Conference of the Aseanian Membrane Society (AMS12) Travel Award, The Membrane Society of Australiasia, 2019；新加坡教育部奖学金计划, 2007-2013。

文献信息

Xu et al., Highly flexible and superhydrophobic MOF nanosheet membrane for ultrafast alcohol-water separation, Science 378, 308-312 (2022).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5680

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