Sci.China Mater.綜述：金屬有機框架物薄膜中的物質傳輸

【引言】

在過去的數十年里，MOF由於其規則的多孔結構和孔徑及化學性質可調等特性，而倍受關注。尤其是緻密交生的MOF薄膜，在氣體、液體和離子分離領域表現出優異的性能，展示了其在相關領域的重要應用前景。

【成果簡介】

圖1氣體分子、液體分子和離子在MOF薄膜中的傳輸

【圖文導讀】

MOF薄膜的製備

首先，文章列舉了近幾年MOF薄膜的製備方法，其中包括一次生長法、二次生長法、2D MOF薄膜的製備，並著重介紹了受限固相轉化法，即MOF金屬前驅體薄膜在配體溶液中，其表面優先轉化為MOF薄膜，並對下層前驅體產生一定的限制作用，進而前驅體完全轉化為MOF，得到緻密交生的MOF薄膜，如圖2。受限固相轉化法是製備MOF與功能分子複合薄膜的一種有效的方法。

圖2（a）受限固相轉化法示意圖，（b）通過受限固相轉化法製備的PSS@HKUST-1薄膜及其（c）SEM照片，（d）通過受限固相轉化法製備的DNA@ZIF-81薄膜及其（e）SEM照片。

氣體分子在MOF薄膜中的傳輸

MOF薄膜被廣泛用於氣體分離領域，氣體分子在MOF薄膜中的傳輸會受到MOF孔徑尺寸篩分效應的影響，小的分子傳輸阻力較小，大的分子傳輸阻力較大，從而實現分子的分離。同時，MOF孔道的化學環境也會對氣體分子的傳輸產生影響，通常通過向配體分子上接枝官能團以及在孔道中包覆功能分子來調節MOF孔道的化學環境，調控氣體分子與MOF的相互作用，使得不同極性的分子在MOF孔道中的傳輸阻力產生差異，實現氣體分子選擇性分離。如圖3，在MOF薄膜中包覆功能分子，不僅能改變MOF的孔道尺寸，還可以設計孔道的化學性質，使得複合膜兼具MOF和功能分子的性質，進而影響氣體分子在MOF薄膜中的傳輸過程。

圖3氣體分子在MOF/功能分子複合薄膜中的傳輸過程，（a）ZIF-8/GO複合薄膜，（b）[Ni(L-asp)2(bpe)]·(G)/bpe複合薄膜，（c）Au NPs/HKUST-1複合薄膜。

液體分子在MOF薄膜中的傳輸

液體分子在MOF薄膜中的傳輸與氣體分子存在顯著的不同。除了MOF薄膜的尺寸篩分效應，MOF薄膜的表面和孔道的親疏水性、MOF與液體分子的相互作用也會對液體分子的跨膜傳輸過程產生影響。在蒸發滲透過程中，與MOF親和性高的液體分子更易於吸附到MOF表面並在孔道中傳輸。同樣地，MOF薄膜與液體分子的相互作用可以通過接枝官能團以及包覆功能分子來實現，液體分子在MOF孔道中的傳輸阻力隨著相互作用力的增加而增加。如圖4，2D MOF薄膜和UiO-66薄膜應用於液體分離，通過調節尺寸篩分效應、MOF與液體分子的相互作用來調控液體分子跨膜傳輸過程，實現分離。

圖4液體分子在（a）2D Zn-TCP(Fe)薄膜和（b）UiO-66薄膜的傳輸。

離子在MOF薄膜中的傳輸

文章著重介紹了離子在MOF中的傳輸過程，利用受限固相轉化法，通過向HKUST-1薄膜中複合PSS構築鋰離子傳輸通道，通過向ZIF-8薄膜中複合DNA構築質子傳輸通道，來實現MOF薄膜的離子傳輸，並分析了離子傳輸的機理。如圖5，示意出離子在MOF薄膜中的傳輸過程和離子分離過程。

圖5（a）鹼金屬離子在PSS@HKSUT-1薄膜中的傳輸過程，（b）質子在DNA@ZIF-8薄膜中的傳輸過程。

【結論和展望】

該綜述總結了近幾年MOF薄膜中的傳質研究。重點介紹了：（1）MOF薄膜的製備方法，（2）氣體分子在MOF薄膜中的傳輸，（3）液體分子在MOF薄膜中的傳輸，（4）離子在MOF薄膜中的傳輸，以及氣體分子、液體分子和離子跨膜傳輸的影響因素。

儘管近幾年對MOF薄膜中的傳質進行了大量的研究，但該領域仍然處於起步階段，分子、離子的傳輸機理還不明確，還需要深入研究。同時還可以進行以下幾個方面的研究：（1）通過將功能分子包覆於MOF孔道中來實現其多功能化，實現快速物質傳輸、能量轉化以及催化等應用；（2）合成介孔MOF薄膜，介孔MOF薄膜具有分離生物大分子的潛能；（3）MOF薄膜的工業化量產；（4）通過新的原位研究方法和理論模擬來探究MOF薄膜納米孔道內物質的傳輸行為。

相關工作得到國家自然科學基金和浙江省自然科學基金的支持。

博士生郭弈為第一作者，彭新生教授為通訊作者。

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