高性能分離膜技術可以去除染料、抗生素、CO2等分子級別污染物，是解決水污染問題和全球變暖等問題的重要手段。然而，分子分離膜滲透性和選擇性之間的“trade-off”現象是分子分離膜技術規模化去除分子污染物的障礙。近年來，通過納米填料調整聚合物選擇層孔結構的方法引起了廣泛關注，尤其是通過金屬有機框架化合物（MOFs）等材料的有機基團可以提高納米填料與聚合物膜之間的相容性，從而增強膜的滲透性和選擇性。但是，納米粒子的團聚趨勢阻礙了這類膜的規；苽洹
近日，哈爾濱工業大學（威海）程喜全副教授團隊通過在UiO-66上接枝對苯乙烯磺酸鈉（PSS）設計了一種高度分散的納米顆粒（UiO-66-PSS），并將這種納米顆粒分別增效聚電解質納濾膜和PEBA氣體分離膜傳質過程。PSS作為一種帶負電荷的水溶性物質可以促進UiO-66在水相中的分散并減少UiO-66顆粒間的聚集，獲得性能優異的納米復合膜。
圖1.（A）在UiO-66表面接枝PSS鏈的示意圖；（B）高度分散的PSS-UiO-66可實現在水環境修復和二氧化碳捕獲中的高效分離
通過原子轉移自由基聚合（ATRP）技術將PSS接枝到UiO-66上，改善了UiO-66的分散性并調整了改性UiO-66與PEM的聚電解質選擇層之間的相互作用。接枝后，UiO-66-PSS展現出優異的分散性，較小的納米顆粒尺寸和較窄的尺寸分布。
圖2. UiO-66及其衍生物的性質
圖3. 制備PEM膜的表面形態分析（A、D, B、E, C、F分別為PEM, PEM/UiO-66, PEM/UiO-66-PSS膜的SEM和AFM表征）
圖4. 制備的PEM膜的性能研究
UiO-66-PSS可以精細地調整膜的結構和表面特性，促進水分子通過，而不會影響對離子和染料的截留率（圖3，圖4）。此外，摻入UiO-66或UiO-66-PSS納米粒子后，膜的孔徑分布變得更小、更窄。UiO-66-PSS增效納濾膜的通量比聚電解質分離膜提高了280％（27.3 L m-2 h-1 bar-1），同時對MgSO4和CR的截留率也從92.3％和96.7％分別上升到98.7％和99.9％。摻入UiO-66-PSS的PEM膜還具有更好的耐污染性，能夠達到98％以上的通量恢復率，在5.0 bar的工作壓力下連續運行240小時后仍然具有110.4 L m-2 h-1的優異穩定通量。
圖5. 制備的PEBA膜的CO2捕集性能研究
對于PEBA氣體分離膜，添加了UiO-66和UiO-66-PSS后，CO2滲透率分別提高151.1％至277.1Barrer和276％至414.5 Barrer，同時選擇性也有所增加（圖5）。進一步研究發現，CO2的溶解度隨MOFs的加入而略有增加，導致CO2擴散速率明顯提高。UiO-66-PSS的加入增加了PEBA膜的滲透性和對CO2的親和力，同步提高了混合基質膜的滲透性和選擇性。
本論文同時解決了納米粒子團聚和納米填料與聚合物膜之間的相容性問題，從而增強膜的滲透性和選擇性，發表在Advanced Composites and Hybrid Materials上。哈爾濱工業大學（威海）程喜全副教授為該論文的第一作者兼共同通訊作者，哈爾濱工業大學邵路教授為該論文的通訊作者，鄭州大學李松偉博士為該論文的共同一作。
論文鏈接： https://doi.org/10.1007/s42114-021-00253-w
作者介紹：
程喜全副教授鏈接：http://homepage.hit.edu.cn/chengxiquan
邵路教授鏈接:http://homepage.hit.edu.cn/shaolu 或https://publons.com/researcher/1307969/lu-shao/publications/
