travesti
travesti
travesti
2020-09-29
超疏水奈米孔洞材料—金屬有機骨架(MOF)的應用
圖
圖
圖一:將超疏水性引入鋁金屬有機骨架(MOF)孔洞材料的合成途徑
圖
圖二:鋁金屬有機骨架(MOF)孔洞材料粉體以及結合三聚氰胺海綿複合材料的油水分離測試
圖
圖三:MOF孔洞材三聚氰胺複合海綿材料在海水上吸附原油的分離應用

【本報導由化學系 林嘉和教授研究團隊提供】  

設計具有表面超疏水性、高表面積、大而均勻的孔徑以及擁有出色穩定性的材料,對於合成化學家來說是一個非常具有挑戰性的領域。因此,我們通過選擇性地修改內部晶格重排的中孔MOF外表面來構建超疏水介孔金屬有機骨架(MOF)系統,演示其生物啟發的封裝重排策略。具有限孔隙度的有缺陷的MOF──AlTz-53,經由點擊反應被疏水性烷基鏈修飾後,內部骨架在活化程序中發生晶格重排成為AlTz-68,從而導致內部孔隙率和材料結晶度顯著提高。接下來,用十八碳烯表面修飾的AlTz-68-C18會產生超疏水性,水接觸角為173.6度。在所有報導的超疏水MOF中,AlTz-68-C18具有最高的表面積數據。此外,超疏水性AlTz-68-C18和三聚氰胺海綿複合材,對油水分離顯現出優異的吸附分離性能。

金屬有機骨架(Metal-Organic Framework, MOF)孔洞材料,是一種新穎的奈米孔洞材料,可說是奈米級大小的房屋或海綿,單一克數最高可達足球場大小的表面積,因此工業化應用前景極高,在分離、吸附、催化、光電、醫藥與能源上均能有豐富的應用發展。

材料科學家開發出各種具有特殊功能的超疏水材料,然而,現有製備超疏水表面的塗層方法主要局限於無孔或微孔材料,要設計出超疏水性、高表面積、大孔徑的多孔材料仍然是一個很大的挑戰。有鑑於此,本研究在受自然的啟發、且不損失內部孔隙的前提下,成功地將超疏水性引入到中孔MOF體系中,利用了修飾以及重排的有效策略,成功製備超疏水MOF孔洞材料,並且大幅保有孔洞材料的高孔隙率。此超疏水MOF孔洞材料,被成功應用在原油與海水的分離吸附上。

本研究藉由選擇性地修飾內晶格重排的MOF系統外表面來構建超疏水性MOF。缺陷多孔材料AlTz-53的表面利用疏水烷基鏈的點擊反應,進行了初步修飾後,內部骨架在活化處理中進行晶格重排,導引內部孔隙率和材料結晶度顯著提高。此外,經十八烯功能化後的AlTz-68-C18粉體表面具有超疏水性(圖一),在目前所有文獻報導的超疏水MOF中,具有最大的比表面積。

進一步應用測試結果顯示,在陶瓷過濾器上成功地達成AlTz-68-C18的油水分離能力。將超疏水性AlTz-68-C18粉末分散在陶瓷泡沫過濾器上,可以建立一個簡便的過濾器分離裝置,將氯仿和用甲基橙染色的水混合物倒在過濾器上時,可以在1分鐘內有效分離氯仿和水(圖二)。

若要從工業廢水、污染的海水和其他水溶液來源中去除油,必須在工業程序上展現出快速有效的油水分離效能。海面上的油污染,主要來自石油鑽採災害下洩漏而造成,AlTz-68-C18具有超疏水性和高孔洞性,因此非常適合作為此種油汙的移除應用。為了解決這些問題,實驗將超疏水性AlTz-68-C18通過共價改性進一步固定在三聚氰胺海綿中──三聚氰胺海綿是一種廉價的低密度多孔材料。這種AlTz-68-C18 @三聚氰胺海綿具有良好的可回收再使用性,可以有效作為清除油汙吸收綿,並有望用於解決諸如海水污染或工業油水分離過程等問題(圖三)。

簡而言之,本研究已經成功整合表面超疏水性、大表面積、大而均勻的孔徑等特性在AlTz-68-C18 MOF上。超疏水的AlTz-68-C18和相應的改性海綿在油水分離方面都表現出優異的性能,此成果不僅代表了製備具有高孔隙率的超疏水材料的獨特策略,並且創造了新一代的多孔材料,未來將可繼續對其進行選擇性改質以用於多種功能性應用。

原文出處:研究發展處研究亮點網

原始連結:http://rh.acad.ntnu.edu.tw/tw/article/content/43

林嘉和 教授 | 化學系林嘉和教授專精的研究領域是結晶性孔洞結構化合物,簡單說就是合成奈米孔洞材料與發展應用。2006年自美國博後研究學成歸國後,曾於中原大學化學系任教13年,2019年8月起受聘於臺師大化學系,是台灣研究金屬有機骨架(MOF)孔洞材料先驅學者之一。他曾經擔任國際MOF研究委員會委員,2020年更分別在頂尖期刊Nature Chemistry以及Matter各有一篇論文發表。目前林教授積極與國內外的學者合作開發MOF孔洞材料的工業化應用,持續貢獻個人無機化學專長。

上一筆
下一筆
上一筆