聚合物支撑的金属有机骨架膜的制备及其气体分离性能

付静茹 贲腾 裘式纶

引用本文: 付静茹, 贲腾, 裘式纶. 聚合物支撑的金属有机骨架膜的制备及其气体分离性能[J]. 物理化学学报, 2020, 36(1): 190107. doi: 10.3866/PKU.WHXB201901079 shu
Citation:  Fu Jingru, Ben Teng, Qiu Shilun. Fabrication of Polymer-Supported Metal Organic Framework Membrane and Its Gas Separation Performance[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(1): 190107. doi: 10.3866/PKU.WHXB201901079 shu

聚合物支撑的金属有机骨架膜的制备及其气体分离性能

    通讯作者: 裘式纶, sqiu@jlu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21390394, 21471065, 21871103)和吉林省科技发展计划项目(20180414009GH)资助

摘要: 由于MOF (金属有机骨架)膜与基底之间的作用力较薄弱,所以制备具有高的H2渗透性和H2/CO2选择性的致密连续的大面积金属有机骨架膜仍具有巨大挑战。本文选取多孔Al2O3作为基底,在表面涂覆一层PIM-1 (一种固有微孔聚合物),并对其进行羧基化处理,使得表面具有大量的羧基基团,随后利用羧基与金属之间的相互作用,原位生长得到了两种致密连续的聚合物支撑的MOF膜(PIM-1-COOH/ZIF-8和PIM-1-COOH/HKUST-1)。通过XRD的表征可以看出MOF膜是纯相的并且具有较高的结晶性;SEM的测试结果表明MOF膜是致密连续的并且MOF膜与基底之间紧密结合。气体分离测试结果表明,这两种MOF膜对H2具有较高的渗透性以及H2/CO2选择性。在常温常压下,对于PIM-1-COOH/ZIF-8和PIM-1-COOH/HKUST-1膜,H2/CO2双组分气体的分离系数分别为7.32、9.69,并且它们H2的渗透通量分别高于3.16 × 10-6、1.14 × 10-6 mol·m-2·s-1·Pa-1。在单组份测试中,这两种MOF膜的H2/CO2的理想分离系数分别为7.70、12.04;H2的渗透通量分别高达3.73 × 10-6、3.86 × 10-6 mol·m-2·s-1·Pa-1,这就表明这两种MOF膜有望在H2的纯化和分离方面广泛应用。

English

    1. [1]

      Venna, S. R.; Carreon, M. A. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 76. doi: 10.1021/ja909263x

    2. [2]

      Huang, A. S.; Chen, Y.; Liu, Q.; Wang, N.; Jiang, J.; Caro J. J. Membr. Sci. 2014, 454, 126. doi: 10.1016/j.memsci.2013.12.018

    3. [3]

      Zhao, Z. X.; Ma, X. L.; Kasik, A.; Li, Z.; Lin, Y. S. Ind. Eng. Chem. Res. 2013, 52, 1102. Doi: 10.1021/ie202777q

    4. [4]

      Bux, H.; Feldhoff, A.; Cravillon, J.; Wiebcke, M.; Li Y. S.; Caro J. Chem. Mater. 2011, 23, 2262. doi: 10.1021/cm200555s

    5. [5]

      Nian, P.; Li, Y. J.; Zhang, X.; Cao, Y.; Liu, H. O.; Zhang, X. F. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 4151. doi: 10.1021/acsami.7b17568

    6. [6]

      Wang, W. J.; Dong, X. L.; Nan, J. P.; Jin, W. Q.; Hu, Z. Q.; Chen, Y. F.; Jiang, J. W. Chem. Commun. 2012, 48, 7022. doi: 10.1039/c2cc32595k

    7. [7]

      Dong, X. L.; Lin, Y. S. Chem. Commun. 2013, 49, 1196. doi: 10.1039/C2CC38512K

    8. [8]

      Wang, C.; deKrafft, K. E.; Lin, W. B. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 7211. doi: 10.1021/ja300539p

    9. [9]

      Maina, J. W.; Schutz, J. A.; Grundy, L.; Ligneris, E. D.; Yi, Z. F.; Kong, L. X.; Pozo-Gonzalo, C.; Ionescu, M.; Dumee, L. F. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 35010. doi: 10.1021/acsami.7b11150

    10. [10]

      Jain, I. P. J. Hydrog. Energy 2009, 34, 7368. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.05.093

    11. [11]

      Berry, G. D.; Pasternak, A. D.; Bambach, G. D.; Ray, Smith, J.; Schock, R. N. Energy 1996, 21, 289. doi: 10.1016/0360-5442(95)00104-2

    12. [12]

      Furukawa, H.; Cordova, K. E.; O'Keeffe, M.; Yaghi, O. M. Science 2013, 341, 1230444. doi: 10.1126/science.1230444

    13. [13]

      Liu, Y. Y.; Ng, Z. F.; Khan, K. A.; Jeong, H. K.; Ching, C. B.; Lai, Z. P. Microporous Mesoporous Mater. 2009, 118, 296. doi: 10.1016/j.micromeso.2008.08.054

    14. [14]

      Liu, Y. Y.; Hu, E. P.; Khan, E. A.; Lai, Z. P. J. Membr. Sci. 2010, 353, 36. doi: 10.1016/j.memsci.2010.02.023

    15. [15]

      Zhuang, J. L.; Terfort, A.; W ll, C. Coord. Coordination Chem. Rev. 2016, 307, 391. doi: 10.1016/j.ccr.2015.09.013

    16. [16]

      Makiura, R.; Motoyama, S.; Umemura, Y.; Yamanake, H.; Sakata, O.; Kitagawa, H. Nat. Mater. 2010, 9, 565. doi: 10.1038/nmat2769

    17. [17]

      Shekhah, O.; Wang, H.; Kowarik, S.; Schreiber, F.; Paulus, M.; Tolan, M.; Sternemann, C.; Evers, F.; Zacher, D.; Fischer, R. A.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 15118. doi: 10.1021/ja076210u

    18. [18]

      Nijem, N.; Fürsich, K.; Kelly, S. T.; Swain, C.; Leone, S. R.; Gilles, M. K. Cryst. Growth Des. 2015, 15, 2948. doi: 10.1021/acs.cgd.5b00384

    19. [19]

      Ranjan, R.; Tsapatsis, M. Chem. Mater. 2009, 21, 4920. doi: 10.1021/cm902032y

    20. [20]

      Hu, Y. X.; Dong, X. L.; Nan, J. P.; Jin, W. Q.; Ren, X. M.; Xu, N. P.; Lee, Y. M. Chem. Commun. 2011, 47, 737. doi: 10.1039/c0cc03927f

    21. [21]

      Nan, J. P.; Dong, X. L.; Wang, W. J.; Jin, W. Q.; Xu, N. P. Langmuir 2011, 27, 4309. doi: 10.1021/la200103w

    22. [22]

      Guo, H. L.; Zhu, G. S.; Hewitt, I. J.; Qiu, S. L. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 1646. doi: 10.1021/ja8074874

    23. [23]

      Zacher, D.; Baunemann, A.; Hermes, S.; Fischer, R. A. J. Mater. Chem. 2007, 17, 2785. doi: 10.1039/B703098C

    24. [24]

      Biemmi, E.; Scherb, C.; Bein, T. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 8054. doi: 10.1021/ja0701208

    25. [25]

      Li, Y. S.; Liang, F. Y.; Bux, H.; Feldhoff, A.; Yang, W. S.; Caro, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 548. doi: 10.1002/anie.200905645

    26. [26]

      Huang, A. S.; Bux, H.; Steinbach, F.; Caro, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 4958. doi: 10.1002/anie.201001919

    27. [27]

      Huang, A. S.; Wang, N.; Kong, C. L.; Caro, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 10551. doi: 10.1002/anie.201204621

    28. [28]

      Huang, A. S.; Chen, Y. F.; Wang, N.; Hu, Z. Q.; Jiang, J.; Caro, J. Chem. Commun. 2012, 48, 10981. doi: 10.1039/C2CC35691K

    29. [29]

      Ben, T.; Lu, C. J.; Pei, C. Y.; Xu, S. X.; Qiu, S. L. Chem. Eur. J. 2012, 18, 10250. doi: 10.1002/chem.201201574

    30. [30]

      Budd, P. M.; Elabas, E. S.; Ghanem, B. S.; Makhseed, S.; Mckeown, N. B.; Msayib, K. J.; Tattershall, C. E.; Wang, D. Adv. Mater. 2004, 16, 456. doi: 10.1002/adma.200306053

    31. [31]

      Zhao, H. Y.; Xie, Q.; Ding, X. L.; Chen, J. M.; Hua, M. M.; Tan, X. Y.; Zhang, Y. Z. J. Membr. Sci. 2016, 514, 305. doi: 10.1016/j.memsci.2016.05.013

    32. [32]

      Fu, J. R.; Das, D.; Xing, G. L.; Valtchev, V.; Qiu, S. L. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 7673. doi: 10.1021/jacs.6b03348

    33. [33]

      McCarthy, M. C.; Varela-Guerrero, V.; Barnett, G. V.; Jeong, H. K. Langmuir 2010, 26, 14636. doi: 10.1021/la102409e

    34. [34]

      Pan, Y. C.; Lai Z. P. Chem. Commun. 2011, 47, 10275. doi: 10.1039/C1CC14051E

    35. [35]

      Nagaraju, D.; Bhagat, D. G.; Banerjee, R.; Kharul, U. K. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 8828. doi: 10.1039/c3ta10438a

    36. [36]

      Guerrero, V. V.; Yoo, Y.; McCarthy, M. C.; Jeong, H. K. J. Mater. Chem. 2010, 20, 3938. doi: 10.1039/B924536G

    37. [37]

      Budd, P. M.; Msayib, K. J.; Tattershall, C. E.; Ghanem, B. S.; Reynolds, K. J.; McKeown, N. B.; Fritsch, D. J. Membr. Sci. 2005, 251, 263. doi: 10.1016/j.memsci.2005.01.009

    38. [38]

      Li, P.; Chung, T. S.; Paul, D. R. J. Membr. Sci. 2013, 432, 50. doi: 10.1016/j.memsci.2013.01.009

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  5
  • 文章访问数:  1136
  • HTML全文浏览量:  153
文章相关
  • 发布日期:  2020-01-15
  • 收稿日期:  2019-01-29
  • 接受日期:  2019-02-26
  • 修回日期:  2019-02-25
  • 网络出版日期:  2019-01-06
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章