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JACS 讓多孔材料流動(dòng)起來——上??萍即髮W(xué)李濤和Yongjin Lee課題組合作開發(fā)出有孔的液體吸附劑

來源:上??萍即髮W(xué)      2019-11-29
導(dǎo)讀:在許多工業(yè)過程中,液體吸附劑,例如水、聚乙二醇(PEG)及有機(jī)胺溶液等,被廣泛用于濕法氣體洗滌器中來除去酸性氣體。然而,液體吸附劑對(duì)設(shè)備有較強(qiáng)腐蝕性,使得維護(hù)成本大大提高。相比之下,固體吸附劑由于具有永久多孔性,這其中最具代表性的當(dāng)屬金屬有機(jī)框架材料(MOFs),但MOFs材料以粉末或塊體形式存在,無法直接應(yīng)用于現(xiàn)有的濕法氣體洗滌器中。近日,上??萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院李濤教授課題組和Yongjin Lee教授課題組聯(lián)合開發(fā)了一種基于MOFs和液態(tài)聚二甲基硅氧烷(PDMS)的多孔液體材料,這種多孔液體材料巧妙地結(jié)合了固體吸附劑和液體吸附劑各自的優(yōu)點(diǎn),為工業(yè)氣體分離提供了新思路。該研究成果以“A General Way to Construct Micro- and Mesoporous Metal-Organic Framework-Based Porous Liquids”為題發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會(huì)志》(Journal of the American Chemical Society)。

左起:李濤教授、何三豐、崔靜、Yongjin Lee教授

該工作選擇了PDMS作為位阻型溶劑,這是由于PDMS能夠在極高(~10kDa)的分子量下仍然保留液體的流動(dòng)性,這一性質(zhì)能夠確保PDMS不會(huì)進(jìn)入MOFs孔道使其多孔性得以保留。PDMS還具有優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、極低的蒸氣壓、高熱穩(wěn)定性、低熔點(diǎn)、低比熱容、低粘度、低成本、無毒、極高的氣體擴(kuò)散系數(shù)和無腐蝕性等特點(diǎn)。這些特質(zhì)使得PDMS成為一個(gè)理想的多孔液體溶劑,將MOFs顆粒分散于PDMS溶劑中能在保留MOFs多孔特性的同時(shí)使其附有類似液體吸附劑的流動(dòng)性。然而,由于MOFs材料表面性質(zhì)和PDMS不兼容,如何形成穩(wěn)定分散液是一個(gè)難題。對(duì)此,李濤課題組的博士研究生何三豐利用之前課題組開發(fā)的一種具有普適性的MOFs表面生長高分子的策略(He et al. Chem. Sci. 2019, 10, 1816-1822),將帶有PDMS支鏈的超薄高分子涂層均勻生長在MOFs顆粒表面。這一表面修飾步驟確保了MOFs顆粒與PDMS溶劑之間的相容性,使該膠體懸浮液(colloidal suspension)的分散穩(wěn)定性大大提升。

利用上述方法,李濤課題組制備得到了一系列具有不同官能團(tuán)的MOFs基多孔液體材料。通過低壓CO2、N2、Xe和H2O吸附等溫線證明了MOFs材料的吸附特性在多孔液體中得以完美保留。同時(shí)通過H2O吸附等溫線結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬(MD simulation),證明了制備得到的多孔液體材料儲(chǔ)存15個(gè)月后,其多孔性仍然能夠很大程度得到保留。得益于PDMS溶劑的優(yōu)良特性,這類多孔液體材料不僅在室溫下具有良好的流動(dòng)性,而且在-35°的低溫下時(shí)仍然具有流動(dòng)性。利用PDMS溶劑高度可設(shè)計(jì)性,李濤課題組進(jìn)一步通過提高PDMS的分子量和在PDMS分子鏈段上引入支鏈的方法,首次實(shí)現(xiàn)了在液態(tài)吸附劑材料中保留大至3.4nm的超大孔,極大拓展了多孔液體材料領(lǐng)域的可能性。由于MOFs材料和PDMS溶劑的豐富性,該方法的出現(xiàn)無疑將快速推動(dòng)多孔液體領(lǐng)域的發(fā)展,并為MOFs材料在分離領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。

該課題的研究工作全部在上科大完成,上科大為第一完成單位。李濤課題組2017級(jí)博士研究生何三豐為第一作者,同組2016級(jí)本科生陳立寒為第二作者。李濤教授和Yongjin Lee教授為通訊作者。該研究中分子動(dòng)力學(xué)模擬(MD  simulation)實(shí)驗(yàn)由物質(zhì)學(xué)院Yongjin Lee教授課題組2017級(jí)碩士研究生崔靜完成。能量色散X射線譜由于奕教授課題組協(xié)助完成,充分體現(xiàn)了物質(zhì)學(xué)院交叉合作的良好氛圍。該研究由上科大啟動(dòng)基金以及國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。

文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b08458

圖1.構(gòu)建MOFs基多孔液體通用方法示意圖

圖2. (A)(B)多孔液體的照片;(C)(D)分別為多孔液體儲(chǔ)存三個(gè)月后在273K下二氧化碳的吸附等溫線和298K下水蒸氣的吸附等溫線。相比于純PDMS溶劑,多孔液體二氧化碳和水蒸氣的吸附量分別提高了13倍和531倍。


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