宁波质料所有机框架膜质料修建及有机物催化降解方面取得系列希望

2021-03-18 网络
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[科技新闻]宁波质料所有机框架膜质料修建及有机物催化降解方面取得系列希望

原题目:宁波质料所有机框架膜质料修建及有机物催化降解方面取得系列希望

近年来水体环境中难降解有机物(多环芳烃、小我私人照顾护士产物、抗生素、染料等)及多种重金属离子日益增添,对环境和生命康健危害严重,通例的处置手段如膜星散或生物处置难以解决。膜催化连系膜星散和催化历程,既可以实现选择性星散,又能在动态延续历程中实现对水体中有机物及重金属的转化、消解甚至完全矿化,此外还能解决通例膜质料的膜污染物问题,因此受到国际上环境及质料领域学者及工业界的关注。

具有有序基元体结构的有机框架质料包罗金属有机框架(MOF)和共价有机框架(COF)等,相对于传统的聚合物基膜质料(如聚偏氟乙烯膜、聚砜膜、聚醚砜膜、聚酰胺膜等),具有平均且可调的孔径、高孔隙率、便捷的组装方式及功效可设计性,具有广漠的应用远景。基于有序框架质料的催化膜的设计、制备及其对难降解有机物的催化降解的研究具有主要科学意义和应用价值。中国科学院宁波质料手艺与工程研究所刘富研究员团队近期在有序框架催化膜方面取得了系列希望,如下。

图1 共价有机框架COF-TE对Pb (II) 吸附去除

(1)酰胺类COF吸附质料:课题组凭证软硬酸碱理论设计了两种具有差异骨架和官能团含量的酰胺类二维COF纳米质料:芬芳二胺修建的COF-TP和脂肪二胺修建的COF-TE酰胺基通过多配位作为Pb(II)活性吸附位点,其中较少的芬芳族骨架和弱的聚积使得Pb(II)在COF-TE中具有更高的扩散能力,见图1,对Pb(II)具有较高的饱和吸附容量(185.7mg/g),并具有优异的再生性能。相关事情揭晓在Chemical Engineering Journal 370 (2019) 822-830。

图2 2D-CTF-1合成蹊径图

(2)共价三嗪框架分子筛分膜(CTF-1):二维共价三嗪框架质料(2D-CTF)是一类由C、N元素组成的具有三嗪环结构的二维共价有机框架质料,具有优异的化学结构稳固性和尺寸可调的面内结构孔,是一类极具潜力的二维质料星散膜基元体。传统的共价三嗪框架质料制备条件较为苛刻,通常基于离子热方式行使熔融氯化锌作为催化剂在高温条件下聚合而成,这使得合成产物中存在骨架结构碳化缺陷以及锌离子的残留,导致星散膜的结构及性能缺陷。课题组行使三氟甲磺酸和二氯甲烷形成的界面作为聚合反映的2D微界面,制备了具有寡层结构的2D-CTF-1纳米片层质料,见图2,该二维纳米质料具有优异的溶剂涣散性。通过多层组装的方式制备了2D-CTF-1星散膜,研究发现片层组装方式更倾向于AA堆叠,通过改变压力研究与通量之间的关系发现面内孔对通量孝顺率约为75%、层间通道孝顺约为25%,基于面内孔径尺寸实现了差异尺寸、差异电荷的染料/分子精准筛分性能,见图3。(《功效高分子学报》,2019,32,610-616;Journal of Membrane Science 595 (2020) 117525)。

图3 CTF-1膜基于孔径尺寸实现精准星散

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图4 CdS/CTF-1复合膜实现光辅助原位自清洁

图5 CdS/CTF-1复合膜催化自清洁性能

(3)共价三嗪框架催化自清洁膜:共价三嗪框架膜具有精准的分子筛分的性能,然则在对小分子有机物的星散历程中易发生外面吸附及膜污染,导致耐久运行通量下降。课题组将零维(0D)半导体光催化剂CdS量子点原位引入到CTF-1的框架中形成[0 2D]复合异质笼络米片,见图4。作为“连讨论”的CdS可以促进光生载流子在2D CTF-1平面外的离域,从而有用延伸了电荷转移的长度。同时,二维CTF-1促进的加速电荷转移还可以有用战胜CdS与光生载流子易于重组的瑕玷。两者都强烈抑制了电子/空穴复合,从而可以大大提高催化效率。通过原位生长严酷控制CdS量子点尺寸(~3nm),且漫衍平均在2D-CTF-1纳米片上,保证了组装后的CdS/CTF-1复合膜的星散效率,并增大了2D-CTF-1膜的层间传质通道,提高了渗透通量并维持高截留率,减缓了延续运行时代通量的下降。电子/空穴星散效率的提高使CdS/CTF-1膜具有精彩的光催化原位清洁和灭菌性能。被污染的CdS/CTF-1膜可以通过光照实现膜功效再生,在多次循环操作中其通量恢复率可到达95%以上,见图5(Chemical Engineering Journal,2021,127784)。

图6 PB/PVDF夹杂基质催化膜制备

图7 PB/PVDF夹杂基质催化膜实现有机物的瞬时延续催化降解

(4)PB/PVDF夹杂基质催化膜:普鲁士蓝(PB)作为一类金属有机骨架质料,具有面心立方结构,由氰基配体与Fe(II)和Fe(III)交替毗邻。怪异的化学因素使得PB及其类似物成为有应用前途的Fenton催化剂。课题组充实行使其催化优势,通过原位生长的方式将高结晶度的PB立方微晶牢靠地嵌入到聚偏氟乙烯(PVDF)中制备出性能精彩的催化膜反映器,见图6。所制备膜错流过滤延续运行24小时,通量稳固在300 L m-2 h-1,去除效率高达99%以上,未有显著衰减,具有优异的催化降解及抗污染能力。对多种污染物罗丹明B、双酚A、腐殖酸均实现高效瞬时降解。ESR解释·OH和·OOH在降解中起到主要作用。所修建的PVDF夹杂基质膜提供了曲折的传输路径,使得目的污染物在流动历程中可以与活性位点充实接触完成高效降解历程,见图7。相关事情揭晓在Applied Catalysis B: Environmental 273 (2020) 119047。

上述事情获得国家自然科学基金(51603209、5161101025),国家重点研发设计(2017YFB0309600),中科院青年创新促进会优异会员(2014258),浙江省高条理人才设计专项(ZJWR0108020),宁波科学手艺局(2019C50028、2017C110034、2014B81004)的支持。

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