新加坡国立大学赵丹《材料快讯》MOC纳米复合膜可高效海水淡化

【科研摘要】

缺水是全球面临的最严重问题，通过海水淡化来增加水资源的可持续和高能效方法对于缓解这一问题至关重要。用于脱盐的常规方法包括热蒸馏、蒸发和反渗透（RO），其中由于RO成本较低和能源效率高而被优选。但是，现有的聚酰胺（PA）薄膜复合材料（TFC）膜的水渗透缓慢，因此与热力学最小值相比，RO工艺仍需更高的能量输入及更高的膜通量。在保持或增强离子截留率的同时提高膜的透水性对于减小所需的膜面积和操作压力至关重要。这可以通过将孔径大小介于水和水合离子的动力学直径之间的纳米多孔材料（如NaA沸石，金属有机骨架（MOF）和共价有机骨架（COF））并入来实现。通常，所得的薄膜纳米复合材料（TFN）膜可通过用低水力阻力的填料孔的替代水路径而表现出增强的水通量。

多孔有机笼（POC）是零维材料，有多个通向中央内部空腔的孔窗口，因而具有高透水性。金属有机笼（MOC）由金属离子或具有有机配体的簇构成的，有相似的功能。但大多数报道的MOC的化学稳定性很差，这限制了它们在水性或极端环境中的应用。近来，已报道一类优异耐受性的锆MOC（Zr-MOC）。这些笼子在酸性（pH = 2.0），中性和弱碱性（pH = 10.0）环境中均表现出色的水稳定性。此外，这些笼子很容易溶解在含水的混合溶剂中，使其与界面聚合过程相容。结合分子笼的溶液可加工性和MOC上与聚合物基体交联的官能团的可用性，可轻松实现MOC在PA层内部的均匀分散。

由此，新加坡国立大学赵丹教授报道了一种氨基官能化的Zr-MOC（ZrT-1-NH2）作为可脱盐应用TFN膜中溶液的可加工填料（图1）。TFN膜的性能增强（与普通TFC膜相比，加入ZrT-1-NH2后，水通量增加了1.9倍）。使用有缺陷的配体策略可以进一步提高性能（与普通TFC膜相比，水通量增加4.0倍）。该结果首次揭示了MOC作为膜中与水相关的液体分离的分子填料的潜力。成果“Thin-Film Nanocomposite Membranes Containing Water-Stable Zirconium Metal–Organic Cages for Desalination”发表于期刊《ACS Materials Lett.》

【图文解析】

图1.（a）ZrT-1-NH2笼的晶体结构，其腔体由黄色球形表示，孔尺寸由黄色圆圈表示。Zr绿松石，O红色，N蓝色，C黑色。（b）TFC膜和PA层化学结构。（c）TFN膜以及建议的含笼状PA层的化学结构。

图2.（a）ZrT-1-NH2与苯甲酰氯之间的反应示意图。（b）通过ESI-TOF-MS监测反应产物的演变。

图3.（a）TFC，（b）具有0.06％（w / v）ZrT-1-NH2丙酮/水（v / v = 3/2）溶液的TFN的PA层的共聚焦显微镜，（c）在界面聚合过程中，将0.06％（w / v）ZrT-1-NH2分散在纯水中的TFN 。

图4.（a）TFC和TFN膜的水通量和脱盐率。（b）由2-氨基吡嗪调节的TFC和TFN膜的水通量和脱盐率。

图5.通过界面聚合（a）和缺陷配体策略（b）制造TFC膜的示意图。

【总结】

作者通过界面聚合彻底研究了离散的ZrT-1-NH2作为化学交联填料进入TFN膜的PA选择层的方法，并评估了膜的脱盐性能。TFN膜显示出增强的水通量，而不会影响盐的截留率。应用了有缺陷的配体策略进一步改善了膜的脱盐性能，与普通TFC膜相比，TFN膜的水通量提高了4.0倍。这项研究中证明的有希望的脱盐性能突出了离散分子笼，特别是水稳定的Zr-MOC，在开发先进的多孔TFN膜以实现高能效脱盐方面的潜力。

参考文献：doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00511

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