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Angew. Chem. :電化學(xué)界面聚合制備超薄COF膜用于濃鹽水脫鹽2023-04-19
膜分離技術(shù)以其綠色低碳等突出優(yōu)勢(shì)具有重要發(fā)展前景。高性能的膜材料是膜分離技術(shù)的核心,共價(jià)有機(jī)框架(COFs)是一類新興的晶態(tài)多孔材料,具有長(zhǎng)程有序孔道、拓?fù)浜突瘜W(xué)多樣性以及理想的化學(xué)穩(wěn)定性,有望在膜分離領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊的應(yīng)用潛力。

制備超薄COF膜是提高分離性能的重要途經(jīng),然而廣泛應(yīng)用的界面聚合技術(shù)在超薄COF膜制備依然存在挑戰(zhàn)。由于單體擴(kuò)散與反應(yīng)速率不匹配,膜厚度和膜缺陷常存在博弈效應(yīng),換言之,超薄和無缺陷常難以兼得。此外,通常條件下,COF膜需要足夠的時(shí)間形成晶態(tài)結(jié)構(gòu),延長(zhǎng)制備時(shí)間也容易導(dǎo)致膜厚度的增長(zhǎng)。

近日,天津大學(xué)的姜忠義教授、潘福生研究員團(tuán)隊(duì),以經(jīng)典亞胺類COF為研究對(duì)象,通過電化學(xué)界面聚合的方式,制備出超薄、無缺陷TpPa膜,并應(yīng)用于高效濃鹽水脫鹽。

 

 

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電化學(xué)過程中,氨基單體和酸形成中間體,并遷移至陰極處發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng)。由于電能的集中可控輸入,單體受限于陰極表面處發(fā)生聚合反應(yīng),TpPa膜的聚合-結(jié)晶過程速率大幅提升,高結(jié)晶度TpPa膜可在4小時(shí)內(nèi)制備完成。

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通過調(diào)控電壓和反應(yīng)時(shí)間可主動(dòng)操縱電化學(xué)界面聚合過程中的自修復(fù)效應(yīng)和自抑制效應(yīng)。缺陷處高電流密度可誘導(dǎo)單體反應(yīng),修補(bǔ)缺陷;而已反應(yīng)生成的TpPa會(huì)降低電流密度,抑制膜厚度繼續(xù)增加。

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將所制備的TpPa膜應(yīng)用于濃鹽水(>7.5 wt%?NaCl)脫鹽,膜表現(xiàn)出很高的脫鹽性能(通量92 kg m-2?h-1,脫鹽率 99.96%.)和良好的運(yùn)行穩(wěn)定性(84 h)。對(duì)于有機(jī)污染物和生物污染物,TpPa膜仍能保持良好的脫鹽效果,展現(xiàn)出實(shí)際應(yīng)用潛力。

電化學(xué)界面聚合法適用于多種亞胺類COF膜的超薄化制備,表現(xiàn)出很好的普適性。本工作為界面聚合過程主動(dòng)調(diào)控以及超薄無缺陷膜快速制備探索了新路徑。

文信息

Electrochemical Interfacial Polymerization toward Ultrathin COF Membranes for Brine Desalination

Meidi Wang,?Yutong Wang,?Junyi Zhao,?Jiyu Zou,?Xu Liang,?Ziting Zhu,?Jiashi Zhu,?Hongjian Wang,?Yuhan Wang,?Fusheng Pan,?Zhongyi Jiang

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202219084

 

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