功能膜研究室徐婷婷博士和盛方猛博士生近期于Journal of Membrane Science期刊（2020, 615, 118608）发表题目为Ti-exchanged UiO-66-NH₂–containing polyamide membranes withremarkable cation permselectivity的文章。

【研究亮点】

（1）采用Ti交换的方法将UiO-66(Zr)-NH₂功能化，成功制备了UiO-66(Zr/Ti)-NH₂纳米颗粒。

（2）使用界面聚合的方法将UiO-66(Zr/Ti)-NH₂固定在超薄聚酰胺层，成功制备出TFN-(Zr/Ti)离子选择性分离膜。

（3）超薄的聚酰胺@UiO-66(Zr/Ti)-NH₂层及UiO-66(Zr/Ti)-NH₂固有的亚纳米尺度离子选择性传输通道赋予TFN-(Zr/Ti)膜高的Li⁺-（Na⁺）离子通量和Li⁺（Na⁺）/Mg²⁺选择性。

【文章简介】

金属有机骨架（metal-organicframeworks, MOFs）是一类由金属离子（簇）与有机配体连接构成的多孔晶体材料，由于其有序排列的亚纳米孔道及优异的孔道壁面修饰特性而展现出巨大的离子分离潜力。然而，制备超薄、无缺陷的MOFs纯相膜工艺复杂、成本高且重复性差，这限制了MOFs纯相膜在离子分离领域大规模应用的潜力。本文作者借鉴界面聚合的思路，提出一种简便的方法实现聚酰胺@MOFs阳离子选择性分离膜的构筑（图1）。基于水稳定性、孔径筛分及分离层稳定性等方面考虑，作者选用UiO-66(Zr)-NH₂作为研究对象，并通过离子交换的方法将UiO-66(Zr)-NH₂框架中部分Zr⁴⁺替换为Ti³⁺，赋予UiO-66(Zr)-NH₂孔道更多的负电性，以促进阳离子的快速传递。另一方面，基于-NH2官能团与酰氯基团的化学反应，实现UiO-66(Zr/Ti)-NH₂与聚酰胺网络的化学链接，最终构筑出MOFs纳米颗粒稳定嵌入的超薄聚酰胺层（图2）。

图1.TFN-(Zr/Ti)膜的制备示意图。

图2. TFN-(Zr)-1, TFN-(Zr/Ti)-1, TFN-(Zr)-2和TFN-(Zr/Ti)-2膜的扫描电镜图。

作者通过系列表征手段证实了Ti³⁺的成功引入、UiO-66(Zr/Ti)-NH₂与聚酰胺层的化学链接，并对系列聚酰胺@ UiO-66(Zr/Ti)-NH2复合膜进行了详细结构表征与性能评价。TFN-(Zr/Ti)膜表现出优异的一价阳离子通量（J_Na+=7.15 × 10^-8mol cm^-2 s^-1,J_Li⁺= 5.43 × 10^-8mol cm^-2 s^-1）和一/二价阳离子选择性（P(Na⁺/Mg²⁺)=13.44，P(Li⁺/Mg²⁺)= 11.38）。优异的离子分离性能及循环稳定性表明了聚酰胺@ UiO-66(Zr/Ti)-NH₂复合膜在离子选择性分离领域的应用潜力（图3）。

图3. CSO, TFC,TFN-(Zr)-1,TFN-(Zr/Ti)-1,TFN-(Zr)-2和TFN-(Zr/Ti)-2膜的（a）Na⁺-Mg²⁺和（b）Li⁺-Mg²⁺的离子分离性能。（c）TFN-(Zr/Ti)-2膜Na⁺-Mg²⁺体系分离的稳定性。

本工作通过离子交换的方法实现对UiO-66(Zr)-NH₂的功能化修饰，并采用工业上成熟的界面聚合方法实现高性能聚酰胺@MOFs阳离子选择性分离膜的构筑，为实现MOFs-基离子选择性分离膜工业化应用提供了进一步的可能性。