碳納米管支撐取向金屬有機骨架膜可有效分離乙烯/乙烷

金屬有機骨架材料(MOFs)屬于微孔多晶材料，因其孔隙率高、結構和化學性質可調、易合成等特點而備受關注。MOFs具有一個或多個不同結晶取向的通道。一般來說，每個結晶取向都有特定的孔徑，能篩分出大于孔徑的分子。通常MOFs孔徑與氣體分子大小相當，成為制備氣體分離膜的良好候選材料。大多數(shù)報道的多晶MOF膜是由取向隨機的晶體構成。而定向多晶MOF膜更為可貴，它們不僅具備最少的晶界缺陷，而且還可以通過調整晶體與載體的相對取向，對氣體分離性能加以控制。

制備定向MOF膜歷來都是一項挑戰(zhàn)性工作。晶種生長和二次生長是合成定向膜最常用的方法。阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)物理科學與工程學部的Wei Ruicong等建立了一種碳納米管(CNT)誘導定向膜(CNT-OM)制備方法來合成{100}取向的沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8膜(100-M)。在這個方法中，將配體2-甲基咪唑(2-MIM)錨定到CNT表面，然后在室溫下水溶液中原位生長3 h。所得100-M的四元孔口沿著傳輸通道排成一線，其對乙烯/乙烷的選擇性比隨機取向膜提高約3倍。而且，100-M表現(xiàn)出優(yōu)異的機械穩(wěn)定性，在約109 m-1曲率下仍能保持分離性能。考慮到無機多晶膜的脆弱性，這一屬性在工業(yè)應用中難能可貴。

在這個制備過程中，2-MIM的NH基附著在碳納米管上時可形成局部正電荷，在此誘導下在碳納米管臨近表面π鍵形成負電荷。因此，2-MIM可以通過強大的靜電引力固定在碳納米管表面。或許還有負電荷從芳香基團的π鍵向2-MIM傳遞，致使2-MIM與CNT的結合更加牢固。碳納米管上芳香π-π鍵的均勻分布保證了晶體均勻成核，有可能制備出低密度缺陷的定向膜。除了上述可能影響定向膜的因素之外，碳納米管具有較高的機械強度，以其作為膜基質，膜的強度也會提高。

膜的合成在可觸發(fā)ZIF-8快速成核和晶體生長的水溶液中進行，防止二次成核和不均勻晶體生長。快速成核可以快速消耗反應物，形成低過飽和度的前軀體溶液，有利于晶體沿{100}方向生長形成ZIF-8。此外，在水溶液中合成膜更加環(huán)保。

所用的薄層單壁碳納米管是通過將CNT水溶液真空過濾到陽極氧化鋁上(AAO)制得的，即CNT-AAO載體。在室溫下將其浸入2-MIM水溶液中約3 min，2-MIM就錨定到CNT表面上。然后再將鋅離子水溶液倒入2-MIM溶液中，在同樣的條件下開始反應。3 h后，經(jīng)過配位、去質子化、晶體成核和生長，就得到{100}取向的ZIF-8。