CN113828169B - 一种polyCOFs/双金属MOFs复合膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种polyCOFs/双金属MOFs复合膜及其制备方法,包括以下步骤:步骤一、制备PANI修饰的SiO2圆片;步骤二、制备polyCOFs母液;步骤三、制备polyCOFs膜;步骤四、制备双金属MOFs母液;步骤五、制备polyCOFs/双金属MOFs复合膜。本发明的polyCOFs/双金属MOFs复合膜,双金属MOFs中的一种金属起到骨架支撑作用,另一种金属起到活化光能等功能性的作用。由于复合了柔性polyCOFs,MOFs的结构更稳定,复合膜机械加工性能高,孔隙率也大大提高。在双金属MOFs具有光响应性能时,能够有效提高光能活化效果,促进了双金属MOFs中功能性金属充分发挥其功能作用。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域,具体涉及一种polyCOFs/双金属MOFs复合膜及其制备方法。
背景技术
作为分子筛膜,金属有机骨架(MOF)载体层具有广阔的前景,但只有少数MOF膜显示出预期的分离性能。主要原因是非选择性晶界迁移及MOF框架柔韧性,尤其是不可避免的接头旋转。含两种不同金属离子的过渡金属基双金属MOFs具有独特的协同效应和可控的金属节点。与单金属MOFs相比,双金属MOFs具有更多可调节的活性位点,且双金属之间的协同效应使其具备了更加优异的催化活性。常见如ZnCo-ZIF,NiFe-MOFs,NiCo-MOFs,CoFe-MOFs。
双金属MOFs最常用的合成方法可分为一步反应合成法和后合成修饰法。一步反应法是将参与反应的金属盐与配体采用溶剂热的方法直接合成,缺点则是无法预测MOFs的拓扑结构及无法准确控制MOFs中金属盐的比例。而后合成修饰法则是将已合成的晶体置于含有将要进行交换的金属盐和配体溶液内进行选择性交换,通过对晶格结构的细微改变来改善其特定的性质和拓宽其应用范围。
双金属MOF是一种非常有前途的制备MOFs衍生物的前驱体和模板,包括制备碳化物和金属化合物等。其优点为:
1)通过调控MOF的结构控制金属及掺杂原子的分布;
2)MOF衍生物骨架具有大量的微孔及介孔,为产物气体的传递提供了通道。
但是,现有的双金属MOF存在以下缺点:在热解的过程中,MOFs的结构容易发生塌陷,这会导致催化剂的比表面积急剧减小。因此,研究开发可以抵抗热处理塌陷的框架结构尤为重要。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种polyCOFs/双金属MOFs复合膜的制备方法,包括以下步骤:
步骤一、制备PANI修饰的SiO2圆片,多孔SiO2圆片经过抛光、超声清洗后用无水乙醇清洗、干燥,然后在SiO2圆片的光滑面涂覆过饱和PANI溶液,然后在一定温度下干燥,反复涂抹、干燥多次,得到PANI修饰的SiO2圆片;
步骤二、制备polyCOFs,得到polyCOFs母液;
步骤三、将PANI修饰的SiO2圆片置于polyCOFs母液中,在一定温度条件下保温一段时间,最后取出SiO2圆片,先后用无水1,4-二氧六环和无水四氢呋喃清洗数次后在室温下干燥,PANI修饰的SiO2圆片上形成polyCOFs膜;
步骤四、制备双金属MOFs,得到双金属MOFs母液;
步骤五、将带有polyCOFs膜的PANI修饰的SiO2圆片水平放置于含双金属MOFs母液的高压灭菌器中,在一定温度条件下保温一段时间,最后取出SiO2圆片用无水1,4-二氧六环和无水四氢呋喃先后清洗数次后在室温下干燥,即得到polyCOFs/双金属MOFs复合膜。
作为上述技术方案的优选,所述过饱和PANI溶液由PANI溶解在二甲基甲酰胺中得到。
作为上述技术方案的优选,所述步骤二中使用2,5-二乙氧基对苯二酚肼二聚体与PEG桥联物作为的单体,室温下与1,3,5-三(4'-醛基苯基)苯缩聚,得到polyCOFs母液。
作为上述技术方案的优选,所述步骤四中在溶剂热条件下,将2-氨基对苯二甲酸、铁盐和铜盐溶于N,N-二甲基甲酰胺后进行溶剂热反应,反应结束后将混合液离心、洗涤、干燥并活化,得到含Cu/Fe的双金属MOFs母液。
作为上述技术方案的优选,所述步骤三中将PANI修饰的SiO2圆片置于polyCOFs母液中后,在90-120℃的温度条件下保温2-3天,所述步骤五中将带有polyCOFs膜的PANI修饰的SiO2圆片水平放置于含双金属MOFs母液的高压灭菌器中后,在90-120℃的温度条件下保温2-3天。
一种polyCOFs/双金属MOFs复合膜,使用上述制备方法制得。
本发明的有益效果是:本申请的polyCOFs/双金属MOFs复合膜,双金属MOFs中的一种金属起到骨架支撑作用,另一种金属起到活化光能等功能性的作用。由于复合了柔性polyCOFs,MOFs的结构更稳定,复合膜机械加工性能高,孔隙率也大大提高。在双金属MOFs具有光响应性能时,能够有效提高光能活化效果,促进了双金属MOFs中功能性金属充分发挥其功能作用。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
一种polyCOFs/双金属MOFs复合膜的制备方法,包括以下步骤:
步骤一、制备PANI修饰的SiO2圆片,多孔SiO2圆片利用刚玉砂纸经过抛光、超声清洗后用无水乙醇清洗、干燥,然后在SiO2圆片的光滑面涂覆过饱和PANI(聚苯胺)溶液,过饱和PANI溶液由PANI溶解在二甲基甲酰胺中得到。然后在70℃的温度下干燥,反复涂抹、干燥三次,得到PANI修饰的SiO2圆片;
步骤二、使用2,5-二乙氧基对苯二酚肼(DTH)二聚体与PEG桥联物(DTH-二聚体-x,x=PEG的分子量)作为的单体。通过室温下1,3,5-三(4'-醛基苯基)苯与dth-二聚体x的界面缩聚,得到polyCOFs母液。具体的:在烧杯中加入0.0375mmol的DTH-dimer,溶于1.0ml水和1.0ml二氧己烷的混合液中,将0.025mmol的1,3,5-三(4'-醛基苯基)苯和525ul的CHCOOH溶液,于3ml均三甲苯中,在联氨层的顶部缓慢添加,室温下搅拌48h,得到polyCOFs母液。
步骤三、polyCOFs母液置于聚四氟乙烯衬里的高压灭菌器中,将PANI修饰的SiO2圆片置于polyCOFs母液中,在100℃温度条件下保温3天,最后取出SiO2圆片,先后用无水1,4-二氧六环和无水四氢呋喃清洗数次后在室温下干燥,PANI修饰的SiO2圆片上形成polyCOFs膜。
步骤四、称取452.9mg的2-氨基对苯二甲酸,在室温下搅拌溶解于12.5ml的DMF中形成溶液。称取337.9mg FeCl3和363.9mg Cu(CH3CN)4]PF6加入上述溶液中,在室温下搅拌。将得到的混合溶液加入到聚四氟乙烯的内胆中,在150摄氏度下,以溶剂热法反应12h。8000rpm离心,并用DMF、乙醇依次洗涤2-3次,得到双金属MOFs母液。
步骤五、将表面生长有polyCOFs膜的PANI修饰的SiO2圆片水平放置于含双金属mofs母液的高压灭菌器中,120℃生长2天,最后取出SiO2圆片用DMF清洗后在无水甲醇中浸泡一夜,最后在室温下干燥得到polyCOFs/双金属MOFs复合膜。
将双金属MOFs母液置于聚四氟乙烯衬里的高压灭菌器中,将PANI修饰的SiO2圆片置于双金属MOFs母液中,在120℃温度条件下保温2天,最后取出SiO2圆片,DMF清洗后在无水甲醇中浸泡一夜,最后在室温下干燥得到双金属MOFs膜,作为对比例膜1。
取部分步骤三中制得的polyCOFs膜作为对比例膜2。将制得的polyCOFs/双金属MOFs复合膜以及对比例膜1、对比例膜2,分别用模具剪成需要的尺寸。然后分别装载过滤头中进行测试。使用大分子尺寸的考马斯亮蓝和小尺寸的甲基橙的混合液在0.5bar的压力下分别通过上述三种膜。滤液通过紫外检测分析,三种膜对大分子染料均有一定的分离效果,但是polyCOFs/双金属MOFs复合膜对大分子染料的分离效果明显要高于对比例膜1和对比例膜2。进一步计算得到,polyCOFs/双金属MOFs复合膜的分离效率达到99%,而对比例膜1的分离效率为80%,对比例膜2的分离效率为85%。
将实施例制得的polyCOFs/双金属MOFs复合膜进行光催化性能测试。在光照,常温常压O2氛围下,室温、1.0atm O2、苯甲醇(1.0mmol)、一定量polyCOFs/双金属MOFs复合膜、TEMPO(0.5mmol)、0.1mmol NaNO2溶剂(5ml),条件下反应12h。观察其转化率和选择性。采用同样方式对对比例膜1和对比例膜2进行同样的光催化性能测试。得到测试结果为:polyCOFs/双金属MOFs复合膜的转化率达到99%,选择性大于99%。而对比例膜1转化率仅为68%,选择性为60%。选择性大于99%。对比例膜2转化率达到了85%,选择性为70%。可见,polyCOFs/双金属MOFs复合膜在氧气参与的光催化氧化醇类或苄基化合物生成含羰基化合物的过程中展现出优异的催化活性和产物选择性。这是由于polyCOFs/双金属MOFs复合膜同时集成了高地壳丰度的铜基光敏单元(Cu-PSs)和廉价铁基催化活性中心,应用在光催化需氧氧化反应时。MOF结构的位点隔离(site-isolation)优势增强了廉价金属光敏中心和催化活性中心的稳定性,同时近距离的空间排布显著促进了氧化反应过程中的电子传递,从而使polyCOFs/双金属MOFs复合膜展现出明显的催化活性优势。
值得一提的是,本发明专利申请涉及的高压灭菌器等技术特征应被视为现有技术,这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可,不应被视为本发明专利的发明点所在,本发明专利不做进一步具体展开详述。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例,应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化,因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种polyCOFs/双金属MOFs复合膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、制备PANI修饰的SiO2圆片,多孔SiO2圆片经过抛光、超声清洗后用无水乙醇清洗、干燥,然后在SiO2圆片的光滑面涂覆过饱和PANI溶液,然后在一定温度下干燥,反复涂抹、干燥多次,得到PANI修饰的SiO2圆片;
步骤二、制备polyCOFs,得到polyCOFs母液;
步骤三、将PANI修饰的SiO2圆片置于polyCOFs母液中,在一定温度条件下保温一段时间,最后取出SiO2圆片,先后用无水1,4-二氧六环和无水四氢呋喃清洗数次后在室温下干燥,PANI修饰的SiO2圆片上形成polyCOFs膜;
步骤四、制备双金属MOFs,得到双金属MOFs母液;
步骤五、将带有polyCOFs膜的PANI修饰的SiO2圆片水平放置于含双金属MOFs母液的高压灭菌器中,在一定温度条件下保温一段时间,最后取出SiO2圆片用无水1,4-二氧六环和无水四氢呋喃先后清洗数次后在室温下干燥,即得到polyCOFs/双金属MOFs复合膜;
所述步骤二中使用2,5-二乙氧基对苯二酚肼二聚体与PEG桥联物作为的单体,室温下与1,3,5-三(4'-醛基苯基)苯缩聚,得到polyCOFs母液;
所述步骤四中在溶剂热条件下,将2-氨基对苯二甲酸、铁盐和铜盐溶于N,N-二甲基甲酰胺后进行溶剂热反应,反应结束后将混合液离心、洗涤、干燥并活化,得到含Cu/Fe的双金属MOFs母液;
所述步骤三中将PANI修饰的SiO2圆片置于polyCOFs母液中后,在90-120℃的温度条件下保温2-3天,所述步骤五中将带有polyCOFs膜的PANI修饰的SiO2圆片水平放置于含双金属MOFs母液的高压灭菌器中后,在90-120℃的温度条件下保温2-3天。
2.如权利要求1所述的polyCOFs/双金属MOFs复合膜的制备方法,其特征在于,所述过饱和PANI溶液由PANI溶解在二甲基甲酰胺中得到。
3.一种polyCOFs/双金属MOFs复合膜,其特征在于,使用如权利要求1-2中任意一项所述的polyCOFs/双金属MOFs复合膜的制备方法制得的复合膜。
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