【SIFSIX-3】纳米多孔氟化金属有机框架基膜用于二氧化碳捕获

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摘要：
研究团队发现纳米多孔氟化金属有机框架（MOFs）SIFSIX-3-M（M=Zn、Cu、Ni）是优异的CO₂选择性吸附剂，其一维通道中氟基团周期性排列，对CO₂吸附选择性高。团队首次采用液相外延（LPE）法，在多孔氧化铝基底上成功制备出连续、均匀且无缺陷的SIFSIX-3-M（M=Ni或Cu）纯MOF膜。单气体和混合气体渗透测试表明，该膜具有CO₂选择性，对H₂和CH₄的CO₂选择性源于其功能性收缩通道中CO₂选择性吸附。

研究背景：
1.行业问题和研究现状：化石燃料经济导致大量CO₂排放，现有捕集技术能耗高、成本高；膜分离虽有优势，但MOF膜制备难，需构建连续无缺陷薄膜，且纯MOF膜用于CO₂/H₂和CO₂/CH₄分离的研究较少。
2.本文创新：首次用LPE法制备SIFSIX-3-M（M=Ni或Cu）纯MOF膜，解决传统溶剂热法制备薄膜不连续的问题；将SIFSIX-3-M从吸附剂拓展为膜材料，实现CO₂选择性分离。

实验部分：
1.SIFSIX-3-M（M=Cu、Ni）本体材料溶剂热合成：
-步骤：Cu体系：1当量CuSiF₆·xH₂O甲醇溶液与4当量吡嗪甲醇溶液混合；Ni体系：1当量NiSiF₆·xH₂O甲醇溶液与4当量吡嗪甲醇溶液混合，尝试不同反应条件（比例、浓度、时间、温度）。
-结果：均生成粉末（Cu体系浅紫色，Ni体系浅绿色），但未获连续薄膜。
2.LPE法制备SIFSIX-3-M（M=Cu、Ni）膜：
-Cu膜步骤：清洁活化的氧化铝基底在65℃下浸于0.13M CuSiF₆甲醇溶液10分钟，甲醇冲洗后，65℃浸于0.5M吡嗪甲醇溶液10分钟，再冲洗，此为1个生长周期，共30个周期。
-Ni膜步骤：同Cu膜，仅吡嗪甲醇溶液浓度为0.26M，共30个周期。
-结果：获连续、均匀无缺陷膜，Cu膜使基底呈蓝色，Ni膜厚约5μm。
3.气体渗透测试：
-单气体测试（Ni膜）：用定容变压装置，35℃下高真空 evacuation，2bar进料压力，监测下游压力，至少10个时滞后达稳态。
-混合气体测试（Cu、Ni膜）：用变压-连续渗透物组成分析技术，先通He建立基线，再通30/70的CO₂/H₂或50/50的CO₂/CH₄混合气体，40-50cc/min通量，MS监测至稳态。
-结果：Ni膜CO₂渗透率约9Barrer，CO₂/N₂选择性4、CO₂/O₂3.6、CO₂/CH₄2；Cu膜CO₂/H₂选择性约27、CO₂/CH₄14.6；Ni膜混合气体CO₂/H₂选择性20.4、CO₂/CH₄9.9。

分析测试：
1.X射线衍射（XRD）：
-结果：SIFSIX-3-Cu和Ni膜的XRD图谱与计算图谱峰位匹配，Ni膜2θ=12.4°（100）峰强，表明优先取向生长。
-揭示性质：膜为纯相SIFSIX-3-M，Ni膜一维通道利于气体通过。
2.扫描电子显微镜（SEM）：
-结果：Cu、Ni膜表面晶粒致密、互联，无裂纹和针孔；Ni膜截面显示无晶粒进入基底孔，厚约5μm。
-揭示性质：膜连续无缺陷，质量高。
3.气体传输系数计算（Ni膜）：
-结果：H₂到CO₂扩散系数降约20倍；CO₂溶解度系数高于其他气体。
-揭示性质：气体扩散受分子大小影响，CO₂高溶解度源于膜对其高吸附亲和力。

总结：
1.主要研究结果：成功用LPE法制备SIFSIX-3-M（M=Cu、Ni）膜，膜连续无缺陷，具有良好CO₂选择性。
2.创新突破：首次将LPE法用于SIFSIX-3-M膜制备，实现吸附剂到膜材料的拓展。
3.潜在意义：为MOF膜用于CO₂捕集提供新思路，助力混合基质膜研究。

Nanoporous Fluorinated Metal-Organic Framework-Based Membranes for CO₂ Capture
文章作者：Valeriya Chernikova, Osama Shekhah, Youssef Belmabkhout, Mohamed Eddaoudi*
DOI：10.1021/acsanm.0c00909
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.0c00909

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