近年来,具备可切换润湿性、耐溶剂性和优异韧性的膜材料逐渐成为分离应用中的新兴选择。然而,目前膜材料在实际应用中仍面临诸多挑战,如机械强度有限、化学稳定性差以及膜制造过程中可能出现的结构缺陷等。这些问题制约了其广泛应用。共价有机框架(COFs)作为由有机小分子通过共价键连接而成的晶态材料,凭借其高孔隙度、优异的稳定性以及可定制的功能等特性,为解决这些难题提供了全新的思路。
吉林大学化学学院杨英威教授团队系统综述了COFs基膜材料在分离领域的应用与前景。COFs材料在膜分离中展现出优异的性能,特别是在气体分离、油水分离和有机溶剂纳滤领域。文章回顾了COFs膜的制备策略,包括界面聚合、逐层组装以及原位生长等,并深入探讨了这些方法对膜的厚度和分离性能的影响。此外,文中还展望了COFs膜分离技术的未来发展方向,并指出了当前研究中面临的挑战与机遇。
图1. 热力学过程、动力学过程和分子筛分的传输机制图。
作者们首先综述了界面聚合法能够制备出稳定且高强度的COFs膜,适用于气体分离和水处理;逐层自组装法通过精确调节每层材料的功能基团,实现对膜厚度和性能的精确控制;原位生长法在基底上直接生长COFs膜,适合高性能分离应用。这些合成方法赋予COFs膜优异的分离效率、机械强度和溶剂稳定性,并能根据不同应用需求灵活调节膜的厚度,以优化其分离性能。接着,结合最新的研究结果,作者们还分析了COFs膜在分离过程中的优势。这些优势包括高孔隙率、优异的化学稳定性、可调孔径和大比表面积等特性,使得COFs膜在多种分离领域展现出广泛应用潜力。然而,作者们也指出,COFs材料在膜分离技术中的应用仍面临一些挑战,诸如大规模制备技术难题和低成本材料的缺乏等。未来的研究应重点关注优化膜的结构与孔隙调控策略,探索新型材料合成方法,并推动COFs膜在实际分离中的应用。此外,作者们强调了调控三种分离机制对COFs膜材料性能的重要性,并展望了该技术的未来发展方向,提出了当前研究中的机遇与挑战。
WILEY 论文信息: Covalent Organic Frameworks for Membrane Separation Yuan-Hang Jin, Meng-Hao Li, Ying-Wei Yang* Advanced Science DOI:10.1002/advs.202412600