Small Structures:共价有机框架高效分离膜

膜分离作为一种新兴的分离技术,由于其兼具分离、浓缩、纯化的功能与节能环保、简单高效、扩展性强、占地面积小、易于操制的特点,已被广泛应用于化工、环保、医药、食品、海水淡化等领域。一直以来,膜分离被视为解决人类所面临的水资源短缺、环境污染、能源危机等重大问题的关键技术之一。随着工业化进程的不断加深和全球人口数量的激增,这些问题变得越来越严重和复杂,这也对膜分离技术提出了更高的要求。尽管传统聚合物膜材料具有成本低、韧性强、机械强度高和易于加工等优势,但由于其内部孔道结构不均一,导致传统聚合物膜的渗透性和选择性难以同步提升(即trade-off效应)。因此,孔道规整化被视为解决这一问题的有效方法。共价有机框架(COFs)材料作为一种新兴的有机多孔晶体材料,由于其具有规整的孔道结构、可调的孔道尺寸(0.5 ~ 5 nm)、良好的稳定性和易于功能化等特点,被视为制备高性能分离膜的理想材料。

近日,清华大学王海辉教授与华南理工大学大学薛健副研究员等人在Small Structures期刊上系统性地总结了近年来COF膜在化学品分离方面的研究进展,并对其未来发展进行了展望。该篇综述首先系统地分析了COF材料在膜分离中的构效关系,讨论了COF材料的本征性质(孔径、电荷、孔隙率、亲水性、热稳定性和化学稳定性)对COF膜的渗透性、选择性和稳定性的影响;随后,从自上而下和自下而上两个方面总结了用于的制备纯相COF膜和COF掺杂的混合基质膜的方法,并阐述了进一步调控膜孔径的多种策略。其次,详细介绍了COF膜在气体分离、废水处理、海水淡化、有机溶剂纯化、渗透汽化等方面的应用,对各个分离过程的分离机理和分离性能分别进行了详尽的分析和对比。最后,从膜的制备和应用两方面对COF膜的未来发展进行了展望,主要包括(1)制备适用于气体等小分子和离子分离的超微孔(< 0.5 nm)的单相COF膜,充分发挥COF材料的规整孔道的优势;(2)开发规模化制备高质量COF纳米片的方法,进而再组装制备超薄的COF纳米片膜;(3)开发用于快速制备COF膜的新方法,提升COF膜的制备效率,使其满足实际生产应用的要求;(4)需要进一步探索COF膜在实际环境(酸性、碱性、复杂有机介质)中长期运行的稳定性。

论文信息:

Covalent Organic Framework Membranes for Efficient Chemicals Separation

Rui Wang, Jiaxing Guo, Jian Xue*, Haihui Wang*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100061

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100061