吉大楊英威教授團隊 Adv. Sci. 綜述：用于膜分離的共價有機框架
具有可切換潤濕性、溶劑穩(wěn)定性和高韌性的膜材料近年來成為分離應用中的熱門研究方向。然而，傳統(tǒng)膜材料在機械強度、化學穩(wěn)定性和結構缺陷等方面面臨挑戰(zhàn)，這限制了它們的廣泛應用。共價有機框架（COFs）作為一種由有機分子通過共價鍵連接而成的結晶材料，憑借其高孔隙率、優(yōu)異的穩(wěn)定性和可調節(jié)性，成為克服這些問題的潛在解決方案。COFs膜材料的有序結構和可定制的功能性使其具備輕量化框架、大表面積和可調節(jié)孔徑的優(yōu)點，因此在膜分離領域受到廣泛關注。近期的研究深入探索了COFs膜的制備策略，并在氣體分離、油/水分離和有機溶劑納濾等多個分離過程中展現(xiàn)了廣泛的應用前景。
近年來，針對COFs膜材料在分離領域的應用研究，特別是在膜制備方法、性能優(yōu)化及多功能集成方面，取得了一定進展。然而，如何通過合理設計材料結構、優(yōu)化膜制備工藝，并控制膜厚度，實現(xiàn)COFs膜材料在氣體分離、油水分離及有機溶劑納濾等領域的性能提升和工業(yè)化應用，仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。為此，吉林大學楊英威教授團隊在《Advanced Science》期刊上發(fā)表了題為《Covalent Organic Frameworks for Membrane Separation》的綜述論文。該論文系統(tǒng)分析了COFs膜材料的制備方法、性能優(yōu)化策略以及在各類分離過程中的應用前景，深入探討了材料的結構設計、功能調控及其在實際應用中的潛力。論文旨在促進膜分離領域的學科交叉融合，為COFs膜材料在更廣泛的工業(yè)化應用中提供理論支持和實踐指導，推動其在能源、環(huán)境等領域的技術進步和創(chuàng)新應用。
圖1. 論文總體框架
首先，文章詳細探討了COFs膜在高效分離應用中的優(yōu)勢，尤其是其高度可調的孔隙結構和良好的化學穩(wěn)定性。與其他膜材料相比，COFs膜具有較高的比表面積和可調節(jié)的孔徑，使其在選擇性分離中表現(xiàn)出色。這些膜材料的制備技術，包括界面聚合法、逐層自組裝法和原位生長法，在提高膜性能方面起到了關鍵作用（圖1）。
圖2. 液-液界面聚合法
圖3. 帶有基底的界面聚合法和氣-液界面聚合法
圖4. 固-氣界面聚合法
其次，深入介紹了界面聚合法，包括液-液界面聚合（圖2）、氣-液界面聚合（圖3）和固-氣界面聚合（圖4）。界面聚合法通過將兩種反應單體分別溶解在水相和有機溶劑中，利用兩相界面處的反應形成薄膜。這種技術因其簡單、快速以及可控等特點，廣泛應用于COFs膜材料的制備中。
圖5. 逐層自組裝法
逐層自組裝法特別適用于構建具有精確控制結構和功能的薄膜。該方法通過沉積材料層，逐步構建出膜的多層結構（圖5），從而使膜的厚度、孔隙度和化學組成得到精確調控。在膜分離應用中，逐層自組裝法不僅能夠提高膜的機械強度和化學穩(wěn)定性，還能增強其分離性能，尤其是在需要高選擇性和耐久性的實際應用。該技術的優(yōu)勢在于其優(yōu)異的可控性和靈活性，能夠在不同的分離需求下優(yōu)化膜材料的性能。
圖6. 原位生長法
原位生長法是指在膜基底表面直接進行材料生長的過程（圖6）。這種方法能夠有效控制膜的微觀結構和孔隙度，從而獲得具有優(yōu)異性能的膜材料。在膜分離技術中，原位生長法能夠增強膜的穩(wěn)定性、機械強度及分離性能，尤其適用于需要高化學穩(wěn)定性和長期使用的應用場景。此外，原位生長法的另一個優(yōu)勢是可以在材料生長過程中進行調控，精確控制膜的厚度、孔徑和化學組成，以滿足不同分離任務的需求。
圖7. 三種傳輸機制
隨后，系統(tǒng)地介紹了分離機制。從傳輸機制的角度來看，分離過程主要涉及三種方法：熱力學過程主要依賴于吸附作用，當混合物中的組分與吸附劑發(fā)生相互作用時，吸附物與吸附劑之間達到熱力學平衡，從而實現(xiàn)分離。這種過程通常在一定的溫度和壓力下發(fā)生。動力學過程則側重于組分的擴散特性，由于不同組分的分子在介質中的擴散速率不同，通過控制擴散過程可以有效地將不同組分分開。分子篩分過程則通過物質在孔隙中的尺寸或形狀差異進行分離，只有尺寸適配的分子才能通過篩孔，從而起到選擇性分離的作用（圖7）。三種機制各有優(yōu)勢，通常根據(jù)分離目標和操作條件選擇合適的方式。
圖8. COFs膜在氣體分離領域應用
圖9. COFs膜在油/水分離領域應用
圖10. COFs膜在有機溶劑納濾領域應用
COFs膜在氣體分離、油/水分離和有機溶劑納濾領域展現(xiàn)了廣泛的應用前景。在氣體分離中，COFs膜通過精確調節(jié)孔隙結構和化學性質，實現(xiàn)對特定氣體的高選擇性分離，尤其在二氧化碳捕集和氣體回收中表現(xiàn)優(yōu)異（圖8）。在油/水分離方面，COFs膜因其可調的親水性和疏水性，能夠有效分離油水混合物，具有較高的分離效率和長期穩(wěn)定性（圖9）。此外，COFs膜在有機溶劑納濾中也顯示出良好的化學耐受性和高效的分離性能，適用于處理高濃度有機溶劑的溶液，廣泛應用于環(huán)保和工業(yè)領域（圖10）。
最后，提出了COFs基分離膜在高效分離應用中面臨的一些挑戰(zhàn)。首先，膜的生產(chǎn)難以從實驗室規(guī)模擴展到工業(yè)化，需要開發(fā)更可行的制備方法。其次，COFs膜在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性和機械強度有待提升，特別是在高溫、酸堿和高壓條件下。此外，COFs膜的合成過程通常依賴有機溶劑和高能耗，因此需要探索更加環(huán)保和可持續(xù)的生產(chǎn)路徑。盡管如此，COFs膜憑借其高孔隙度和可調孔徑等優(yōu)勢，仍在氣體分離、油水分離等領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202412600
