二维共价有机骨架(2D COFs)具有永久的孔隙率、轻质的骨架、良好的稳定性和易于定制的功能,被认为是潜在的气体分离膜候选材料。然而,其孔径通常大于普通气体分子的运动直径。一个巨大的挑战是制造单相COF膜以实现精确的气体分离。
近日,中科院大连化物所杨维慎研究员,Yuan Peng报道了提出了三种不同微孔尺寸的b-酮胺型2D COFs,即TpPa-1、TpPa-2和TpHz(Tp=1,3,5-三甲酰基间苯三酚,Pa-1=苯-1,4-二胺,Pa-2=2,5-二甲苯-1,4-二胺,Hz=联氨)来剥离成纳米片,制备出具有交错堆积模式的单相COF纳米片膜。
文章要点
1)TpPa-1、TpPa-2和TpHz的理论孔径分别为1.8 nm、1.5 nm和1.3 nm。这些单相COF膜没有气体选择性。而一旦p-p层间相互作用被打破,就实现了剥离,获得了大长径比(>1600)的COF纳米片。
2)将纳米薄片组装在多孔的α-Al2O3衬底上,形成超薄薄膜。研究发现,这些紧密堆积的COF纳米薄片膜不是通常意义上的小H2分子的选择性通过,而是根据表面扩散机制表现出对CO2的选择性渗透。具有中等孔径的TpPa-2纳米片膜表现出最佳的CO2/H2分离性能,CO2透过率为328 GPU,很好地达到了合成气分离的膜性能指标。
这项工作有望为针对特定气体高效分离的新型COF膜的开发铺平道路。
参考文献
Pengyuan Wang, et al, Single-Phase Covalent Organic Framework Staggered Stacking Nanosheet Membrane for CO2-Selective Separation, Angew. Chem. Int. Ed. 2021
DOI:10.1002/anie.202106346
https://doi.org/10.1002/anie.202106346