Small:光热响应的超薄二维MOF纳米片支撑离子液体用于高效二氧化碳分离

离子液体支撑膜是由支撑材料和离子液体两部分构成的分离膜。由于离子液体具有化学性质稳定、难挥发以及对二氧化碳(CO2)的溶解度高等优点,近年来,离子液体支撑膜已展示良好的CO2选择性分离,并且围绕着如何制备兼顾高CO2通量和高CO2选择性的离子液体分离膜开展了深入的研究。一方面,支撑材料对于离子液体支撑膜的分离性能影响显著。例如,采用二维层状材料(如氧化石墨烯ACS Nano 2018, 12, 5385、二硫化钼J. Mater. Chem. A 2019, 7, 10041等),可以将离子液体限域在其片层之间,这些处于受限空间之中的离子液体对于CO2的选择性有着明显的提高。然而,常规的二维层状材料具有非常有限的面内孔,使得CO2在膜中的传输主要经由其片层之间的间隙进行,这无疑增加了其传输路径的长度,从而导致CO2的通量仍有较大的提升空间。鉴于此,我们设计了一种具有大量面内微孔结构的二维层状材料(二维Zr-Fc MOF纳米片J. Mater. Chem. A 2019, 7, 15975)作为支撑材料,通过其中的面内孔来提供额外的CO2通路,从而提高CO2传输的通量。同时,限域在MOF微孔内的离子液体,确保了所制备的膜(Zr-Fc SILM)具有优异的CO2选择性。另一方面,研究发现通过对离子液体支撑膜施加外场刺激(如电场、热和光等),可以进一步地提高CO2的通量。考虑到Zr-Fc MOF具有光热性能(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 20321),因此,还可以通过外加光源刺激来进一步地提高CO2通过Zr-Fc-SILM的通量。

鉴于此,浙江大学彭新生教授、深圳大学曾昱嘉教授与中国石油大学(华东)燕友果教授合作,设计制备了具有大量面内微孔结构的Zr-Fc MOF纳米片作为离子液体支撑层,解决了传统二维材料(如石墨烯、二硫化钼等)离子液体支撑膜所面临着的面内孔少而导致气体传输路径长的问题,保持高选择性的同时提高了二氧化碳的通量。另外,基于Zr-Fc MOF纳米片的光热性能,通过外加光源,可使其通量进一步提高。相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202002699)上。

Zr-Fc MOF纳米片具有丰富的面内微孔,可以克服传统二维层状材料面内孔缺失而导致的气体传输路径长等问题。因此,所制备的Zr-Fc-SILM具有优异的CO2分离性能。其中,厚度为460 nm的Zr-Fc-SILM的CO2通量高达145.15 GPU,CO2/N2的分离系数高达216.9,同时兼顾了高CO2气体通量与CO2选择性,膜的整体性能超出了Robeson上线,且优于文献报道的其他类似的离子液体支撑膜。Zr-Fc MOF具有光热性能,在外加光源的刺激下,Zr-Fc MOF能将光能转换成热能,使Zr-Fc-SILM的温度升高,导致CO2在膜内的扩散速度变快,从而进一步地将CO2的通量提升了35%。此外,Zr-Fc-SILM具有优异的光热稳定性,即使经过重复多次光热调控,其气体通量和相应的选择性仍能回复到初始状态。