原位自组装金属有机骨架纳米杂化多层膜的基础研究

Compatibility and dispersion of inorganic particles in the polymer is a key issue for preparation and application process of organic/inorganic nanohybrid membrane. Molecular self-assembly techniques provide a new way for solving these problems. In this application, the metal-organic frameworks (MOFs) was used as doped particles to prepare nanohybrid membrane. According to the molecular design of MOFs forming process, the MOFs nanoparticles can be in situ prepared during the preparation of multilayer membranes. Coordination interaction between polymer, metal ions and organic ligands was used as driving force to form the multilayer membrane. The steric effect of the polymer chain can be used for improving the dispersion of the nanoparticles. Moreover, the compatibility of nanoparticles and polymer can be improved because of the coordination interaction. The variation of growth, morphology and structure of the nanoparticles and polyelectrolyte frame on planar and non-planar porous support can be revealed by modern analytical tools. The research could provide a new method for preparing nanohybrid multilayer membrane with high compatibility and dispersion.

无机颗粒的分散性及其与聚合物之间的相容性是有机/无机纳米杂化膜材料制备和应用过程中亟待解决的关键问题，分子自组装技术为解决这些问题提供了新途径。本申请采用金属有机骨架材料（MOFs）作为纳米基元，从分子设计角度出发，利用MOFs颗粒形成过程的可设计性，通过分子自组装技术在多层膜的制备过程中原位杂化MOFs颗粒。该制备过程利用聚合物、金属离子以及有机配体之间的配位作用作为成膜驱动力，通过聚合物链空间构象的限域效应解决纳米颗粒的分散性问题，并且利用聚合物与金属离子和有机配体间的配位作用提高有机/无机界面间的相容性。本研究将借助现代分析手段揭示纳米构筑基元和聚合物骨架在平面和非平面多孔支撑体上的生长、形貌及结构演变规律，并对其分离机理进行研究，为自组装高分散性的纳米杂化多层膜提供新思路。

目前，有机/无机纳米杂化膜已经被广泛应用于膜分离领域，然而无机颗粒的分散性及其与聚合物之间的相容性仍然是纳米杂化膜制备和应用过程中亟待解决的关键问题。发展在纳米尺度范围内的原位自组装技术为制备纳米杂化膜提供了新途径，有望用于解决上述问题。本申请采用金属有机骨架材料（MOFs）作为纳米基元，从分子设计角度出发，利用MOFs颗粒形成过程的可设计性，通过分子自组装技术在杂化膜的制备过程中原位生长MOFs颗粒，利用聚合物、金属离子以及有机配体之间的配位作用作为成膜驱动力，通过聚合物链空间构象的限域效应解决纳米颗粒的分散性问题，并且利用聚合物与金属离子和有机配体间的配位作用提高有机/无机界面间的相容性；采用对向扩散原位自组装技术，利用基底纳米孔道的限域作用调控MOFs颗粒在膜中生长的位置和尺寸，从而利用MOFs颗粒的纳米孔道进行分离，降低了分离层的厚度和组分的传质阻力；拓展了新型分子级金属有机骨架多面体材料（MOPs）在分离膜中的应用，从分子尺度实现了纳米颗粒的分散，并通过对MOPs颗粒孔结构和表面官能团的研究，获得纳米杂化膜对芳烃/烷烃体系的分离机理。将上述获得的纳米杂化膜分别用于水体中染料的脱除、水中燃料醇的回收以及有机混合溶剂的分离等，均获得了良好的分离性能，为纳米杂化膜的制备和应用奠定了基础。