【氟化超疏水COF】全氟烷基官能化超疏水共价有机框架，用于优异的油水膜分离和无水质子传导

首页 > 行业动态 > 【氟化超疏水COF】全氟烷基官能化超疏水共价有机框架，用于优异的油水膜分离和无水质子传导

摘要：
中国科学院大学蔡亚岐老师等报道的本篇文章（Small 2024, 2403772）中针对快速经济发展带来的石油污染和能源短缺问题，开发了一种新型的膜分离材料，以提高油水分离效率。研究团队合成了两种具有长侧链的共价有机框架（COFs），并制备了相应的COF@SSN膜。这些膜能有效分离油水混合物和油包水乳液。其中，TFPT-AF膜展示了极高的油通量和油水分离效率，经过20次连续使用后性能几乎不变。COF@H3PO4通过不同比例的H3PO4掺杂，表现出优异的无水质子传导性能，在125°C时达到了3.98×10^-1 S cm^-1的超高质子导电率。该研究为通过预先设计和表面修饰定制COF的功能化奠定了基础，突显了COFs在油水分离和无水质子传导方面的巨大潜力。

研究背景：
1. 传统的离心、吸附和重力沉降方法因高能耗和低效率而无法广泛应用。
2. 膜基分离技术因其可重复使用、高能效和环境友好性被认为是有前景的油水分离技术。
3. 本文创新点：
   - 提出了具有高稳定性和高渗透性的膜材料，以实现高效的油水分离。
   - 开发了全氟烷基官能化的COFs，这些COFs在强酸和强碱中保持结构稳定，具有超疏水性和高化学稳定性。
   - 制备了COF@H3PO4复合材料，实现了在高温无水条件下的高质子传导性。

实验部分：
1. COFs的合成实验步骤：
   - 将1,3,5-三(对甲醛苯基)三嗪（0.1 mmol）与全氟长链（AF）和烷基长链肼（BTHD）单体（0.15 mmol）在溶剂热条件下反应，合成了TFPT-AF和TFPT-BTHD。
   - 反应后的产物通过过滤、洗涤和干燥得到目标COFs。
2. COF@SSN膜的制备：
   - 将400目不锈钢网（SSN）用3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）进行表面改性。
   - 将改性后的SSN与TFPT-BTHD或TFPT-AF COF的前体混合，在120°C下反应72小时，实现COF在SSN表面的原位生长。
3. 油水分离性能测试：
   - 使用定制装置，将COF@SSN膜密封在两个玻璃管之间，通过重力实现油水分离。
   - 测试了CH2Cl2、o-DCB、甲苯和石油醚等油水混合物的分离效率和油通量。
4. 无水质子传导性能测试：
   - 将TFPT-AF和TFPT-BTHD与不同比例的H3PO4手工研磨，然后在100°C真空下脱气12小时，制备不同H3PO4负载的COF@H3PO4。
   - 使用电化学阻抗谱（EIS）在20-125°C无水条件下测试质子传导性能。

测试部分：
1. FT-IR光谱分析：
   - TFPT-AF和TFPT-BTHD的FT-IR光谱显示了C=O伸缩带的消失和C=N伸缩带的出现，分别位于约1692 cm^-1和1672 cm^-1。
2. 固体核磁共振（13C CPMAS NMR）：
   - 13C CPMAS NMR光谱中观察到149 ppm处的─C=N─键特征信号。
3. X射线衍射（XRD）：
   - XRD图案显示了主要衍射峰位于2.51°和4.8°，对应于(110)和(020)晶面。
4. 比表面积和孔隙体积：
   - TFPT-AF的BET比表面积为1200 m^2 g^-1，总孔隙体积为0.701 cm^3 g^-1。
   - TFPT-BTHD的BET比表面积为440 m^2 g^-1，总孔隙体积为0.402 cm^3 g^-1。
5. 热重分析（TGA）：
   - TGA曲线显示两种COFs在氮气氛围下在300°C没有重量损失。
6. 接触角测试：
   - TFPT-AF的水接触角高于140°，TFPT-BTHD的水接触角为123°。
7. 质子传导性能测试：
   - TFPT-AF@H3PO4在125°C时的质子导电率达到3.98×10^-1 S cm^-1。
   - TFPT-BTHD@H3PO4在相同条件下的质子导电率为1.22×10^-1 S cm^-1。
8. 稳定性测试：
   - 将COFs浸入H3PO4（85%）、HCl（1M）、NaOH（10M）和沸水中24小时，测试其耐酸碱性和热稳定性。
9. SEM分析：
   - SEM图像显示了TFPT-AF和TFPT-BTHD的形态和表面结构。
10. N2吸附-脱附等温线：
    - 测量了77K下N2的吸附-脱附等温线，以评估COFs的孔隙结构。
11. 长期质子传导稳定性测试：
    - 在125°C下对TFPT-AF@H3PO4进行了50小时的长期质子传导稳定性测试。

总结：
本文通过自下而上的策略合成了两种长链官能化的COFs，TFPT-AF和TFPT-BTHD。这些COFs不仅展示了卓越的疏水性、热稳定性和化学稳定性，而且在油水分离和无水质子传导方面表现出色。TFPT-AF@SSN和TFPT-BTHD@SSN膜在多次分离循环后仍保持高效的分离效率和油通量。此外，TFPT-AF@H3PO4的无水质子导电性达到了前所未有的水平，为高温聚合物电解质膜燃料电池的应用提供了新的可能性。

展望：
本文的研究为COFs在油水分离和无水质子传导领域的应用提供了重要的参考。未来，作者可以进一步探索不同官能团和结构的COFs在这些领域的应用，优化其性能以满足实际应用的需求。同时，深入研究COFs的长期稳定性和在不同环境下的性能变化，以及探索其在其他能源转换和存储领域的潜在应用，也是必要的。此外，考虑到工业应用的复杂性，研究COFs在实际工业流程中的性能和稳定性，以及开发可规模化的制备方法，将是未来研究的重要方向。

Perfluoroalkyl Functionalized Superhydrophobic Covalent Organic Frameworks for Excellent Oil–Water Membrane Separation and Anhydrous Proton Conduction
文章作者：Shaodong Jiang, Hongyun Niu, Xiaoling Gu, Yaqi Cai
DOI：10.1002/smll.202403772
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202403772

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。