【科研摘要】
缺水是全球面臨的最嚴重問題，通過海水淡化來增加水資源的可持續和高能效方法對于緩解這一問題至關重要。用于脫鹽的常規方法包括熱蒸餾、蒸發和反滲透（RO），其中由于RO成本較低和能源效率高而被優選。但是，現有的聚酰胺（PA）薄膜複合材料（TFC）膜的水滲透緩慢，因此與熱力學最小值相比，RO工藝仍需更高的能量輸入及更高的膜通量。在保持或增強離子截留率的同時提高膜的透水性對于減小所需的膜面積和操作壓力至關重要。這可以通過將孔徑大小介于水和水合離子的動力學直徑之間的納米多孔材料（如NaA沸石，金屬有機骨架（MOF）和共價有機骨架（COF））並入來實現。通常，所得的薄膜納米複合材料（TFN）膜可通過用低水力阻力的填料孔的替代水路徑而表現出增強的水通量。
多孔有機籠（POC）是零維材料，有多個通向中央內部空腔的孔窗口，因而具有高透水性。金屬有機籠（MOC）由金屬離子或具有有機配體的簇構成的，有相似的功能。但大多數報道的MOC的化學穩定性很差，這限制了它們在水性或極端環境中的應用。近來，已報道一類優異耐受性的锆MOC（Zr-MOC）。這些籠子在酸性（pH = 2.0），中性和弱堿性（pH = 10.0）環境中均表現出色的水穩定性。此外，這些籠子很容易溶解在含水的混合溶劑中，使其與界面聚合過程相容。結合分子籠的溶液可加工性和MOC上與聚合物基體交聯的官能團的可用性，可輕松實現MOC在PA層內部的均勻分散。
由此，新加坡國立大學趙丹教授報道了一種氨基官能化的Zr-MOC（ZrT-1-NH2）作爲可脫鹽應用TFN膜中溶液的可加工填料（圖1）。TFN膜的性能增強（與普通TFC膜相比，加入ZrT-1-NH2後，水通量增加了1.9倍）。使用有缺陷的配體策略可以進一步提高性能（與普通TFC膜相比，水通量增加4.0倍）。該結果首次揭示了MOC作爲膜中與水相關的液體分離的分子填料的潛力。成果“Thin-Film Nanocomposite Membranes Containing Water-Stable Zirconium Metal–Organic Cages for Desalination”發表于期刊《ACS Materials Lett.》
【圖文解析】
圖1.（a）ZrT-1-NH2籠的晶體結構，其腔體由黃色球形表示，孔尺寸由黃色圓圈表示。Zr綠松石，O紅色，N藍色，C黑色。（b）TFC膜和PA層化學結構。（c）TFN膜以及建議的含籠狀PA層的化學結構。
圖2.（a）ZrT-1-NH2與苯甲酰氯之間的反應示意圖。（b）通過ESI-TOF-MS監測反應産物的演變。
圖3.（a）TFC，（b）具有0.06％（w / v）ZrT-1-NH2丙酮/水（v / v = 3/2）溶液的TFN的PA層的共聚焦顯微鏡，（c）在界面聚合過程中，將0.06％（w / v）ZrT-1-NH2分散在純水中的TFN 。
圖4.（a）TFC和TFN膜的水通量和脫鹽率。（b）由2-氨基吡嗪調節的TFC和TFN膜的水通量和脫鹽率。
圖5.通過界面聚合（a）和缺陷配體策略（b）制造TFC膜的示意圖。
【總結】
作者通過界面聚合徹底研究了離散的ZrT-1-NH2作爲化學交聯填料進入TFN膜的PA選擇層的方法，並評估了膜的脫鹽性能。TFN膜顯示出增強的水通量，而不會影響鹽的截留率。應用了有缺陷的配體策略進一步改善了膜的脫鹽性能，與普通TFC膜相比，TFN膜的水通量提高了4.0倍。這項研究中證明的有希望的脫鹽性能突出了離散分子籠，特別是水穩定的Zr-MOC，在開發先進的多孔TFN膜以實現高能效脫鹽方面的潛力。
參考文獻：doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00511
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