本技术公开了一种大面积连续MOF膜及其制备方法与应用,其制备方法包括以下步骤:S1:将四氯化锆和1,3,5‑三(4‑羧基苯基)苯溶于N,N‑二甲基甲酰胺中,然后加入甲酸和水,所得混合溶液密封后,置于烘箱中保温,随后加入磺化试剂,回流一段时间后静置,然后用超纯水离心洗涤,得到均一分散液;S2:将基底分别在乙醇和去离子水中清洗待用;S3:将基底固定在刮涂仪上,并将制备好的分散液刮涂平铺在基底表面,干燥后得到MOF膜;S4:将MOF膜转移至真空烘箱中进一步稳定结构。本发明能够方便快速地利用溶剂热法制备二维MOF纳米片,并可通过刮涂法快速自组装制备大面积连续MOF膜,在尺寸效应和磺酸基团的亲和效应的双重调控下,表现出优异的锂离子选择性和渗透性。
背景技术
随着人类社会的快速发展,资源短缺的问题日益突出。分离膜因其独特的结构和传质特性,在离子/分子分离、海水淡化、催化、能源存储与转换等领域有着广泛的应用前景。其中,由原子级厚度的纳米片堆叠形成的二维层状膜是分离膜的理想材料。
现有的纳米片包括石墨烯及其衍生物、MoS2
和二维过渡金属碳氮化物(MXene)等。然而,这些传统的无孔二维层状纳米片迫使离子/分子沿着平面内高度弯曲的纳米通道传输,在一定程度上阻碍了渗透通量的提升,无法避免渗透性和选择性之间的权衡问题。
而二维金属有机框架(Metal-organic framework,MOF)作为有孔二维层状纳米片中的一种,得益于二维MOF纳米片上固有的孔隙,二维MOF纳米片允许离子/分子直接穿过纳米片,而不是只能沿着平面内的方向传输,这有效地减少了传输路径的长度和绕曲度。MOF材料的多孔特性虽然可以提供大量的传输路径,有利于提升薄膜的渗透通量,但难以制备大面积连续的MOF膜,且存在易碎、易粉化等问题。
制备MOF膜的常用方法包括界面合成法、液相外延法、浸渍法、原子层沉积、化学气沉积和真空抽滤法等,然而这些方法制备的MOF大小有限,且操作流程复杂,对设备和操作环境要求较高。
现有发表于《纳米快报》第24卷第9期的文章“用于锂离子高效筛分的二维磺酸基功能化的MOF膜(Two-dimensional sulfonate-functionalized metal–organicframework membranes for efficient lithium-ion sieving)”中,在MOF分散液中添加PSS聚合物,并采用真空抽滤法,在阳极氧化铝(AAO)基底上形成复合膜,以提高MOF膜的稳定性。然而,PSS聚合物添加剂的使用会影响MOF分散液的保存时间,引起沉降。并且AAO基底价格昂贵,难以大面积生产,且脆性较高,在转移过程易发生破损。在薄膜干燥的过程中,刚性的AAO基底由于无法匹配溶液成膜收缩时的微弱形变,因此往往在边缘处会翘边,甚至从基底上脱落。因此,AAO基底上成膜需小心控制薄膜的干燥速率和干燥条件,并且采用该方法制得的膜面积较小,直径为1.5cm。
实现思路