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具有高机械加工性自支撑高分子-共价有机框架复合膜
ACS美国化学会 / 时间:2019-08-02 08:09:46

  据ACS美国化学会微信公众平台2019年8月1日讯 新材料是中国的七大战略新兴产业之一,其中膜材料被列入新材料“十三五”规划专项工程,是国家重点发展的领域。共价有机框架材料(COFs)是自2005年兴起的一种多孔的、高结晶性的、具有规则结构的有机高分子材料。COFs在多个应用领域,例如吸附分离、催化、药物传递等,展示出了广阔的应用前景。COFs主要是通过溶剂热制备而成。由于在合成过程中存在结构缺陷,大部分COFs以微晶粉末的形式存在,很难得到大尺寸的晶体或膜,这极大地限制了COFs的应用,特别是在膜方面。因此,开发制备高性能的、自支撑COF膜的新方法,对于拓展COFs的应用具有重要意义。


具有高机械加工性自支撑高分子-共价有机框架复合膜


  针对COF膜的合成挑战,南开大学化学院张振杰研究员与药物化学生物学国家重点实验室陈瑶研究员、南佛罗里达大学马胜前教授合作,率先提出了分步聚合的方法:首先用聚乙二醇作为连接器合成了含有COFs构筑单元的高分子;再把高分子与COFs的构筑单体进一步聚合,成功制备了一系列自支撑的、具有高机械加工性能的高分子-共价有机框架复合膜(polyCOF)。通过调节高分子的含量,可以很好地调控polyCOF膜的结晶度、孔隙率以及机械强度。归功于COFs有序的孔结构和高比表面积,polyCOF膜展现了高水渗透率,成功实现了污水中有机染料的选择性分离。更重要的是,所得到的polyCOF-42膜的分离效率远高于纯的COF-42的分离效率,表明高分子构筑单体不但能够提高膜的机械加工性能,而且能够有效地调节COF孔道的大小。利用高分子构筑单体和COFs材料的协同效应,polyCOF膜展现出有趣的蒸汽刺激响应行为,为COFs材料的应用提供了一个新的方向。利用这种响应行为,polyCOF膜可以模拟人工肌肉,实现一系列复杂运动(如仰卧起坐和举重等)。进一步研究发现,这种制备polyCOF膜的方法具有很好的普适性,可以应用在其它高分子和COFs的体系中。这一工作一方面突破了COFs材料在合成方面的局限性,另一方面拓宽了COFs材料的应用领域。


具有高机械加工性自支撑高分子-共价有机框架复合膜

图1.polyCOF膜的制备流程

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图2.polyCOF-42膜与COF-42膜的性能对比

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图3.polyCOF-42膜的蒸汽响应性能

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图4.polyCOF-42膜模拟人工肌肉做提拉重物和仰卧起坐运动


  相关工作已在线发表于ACS Central Science(PolyCOFs: A New Class of Freestanding Responsive Covalent Organic Framework Membranes with High Mechanical Performance;Zhifang Wang (王志方), Qi Yu(喻琪), Yubo Huang (黄禹博), Hongde An(安红德), Yu Zhao (赵瑜), Yifan Feng (冯一凡), Xia Li (李霞), Xinlei Shi (史鑫磊), Jiajie Liang(梁嘉杰), Fusheng Pan (潘福生), Peng Cheng (程鹏), Yao Chen (陈瑶), Shengqian Ma (马胜前), Zhenjie Zhang (张振杰);通讯编辑:Yao Chen (陈瑶), 南开大学;Shengqian Ma (马胜前), University of South Florida;Zhenjie Zhang (张振杰),南开大学;ACS Cent. Sci. 2019, ASAP;Publication Date: June 25, 2019;https://doi.org/10.1021/acscentsci.9b00212),并被ACS Weekly PressPac,C&EN,EurekAlert!,Science Daily等多家国内外国媒体体进行了专题报道。
  本项目得到了中国国家自然科学基金、天津市自然科学基金和美国NSF的支撑。

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