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一價/多價金屬離子的高效分離是實現含鹽廢水處理、鹽湖提鋰等重要應用的關鍵一環。通過尺寸篩分效應，具有亞納米通道的分離膜可以實現一價/多價金屬離子的高效分離。開發兼具高選擇性、高通量的離子分離膜具有重要的應用前景，也面臨著巨大挑戰。

近期，武漢理工大學張鵬超研究員和北京師范大學蔣亞楠副教授合作，在中國科學院理化技術研究所江雷院士和武漢理工大學陳文教授的指導下，通過表面浸潤性調控微米通道內油水界面的位置，利用限域界面反應室溫快速制備具有亞納米通道的金屬有機框架（MOF）通道膜，實現了一價/多價金屬離子的高效分離。

圖1. MOF通道膜的合成示意圖及其形貌

MOF通道膜由具有微米級通孔的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）基膜和填充于微米通孔中的具有亞納米通道（0.85nm）的MOF（即HKUST-1，圖1）組成。MOF陣列是在微米通孔中基于限域界面反應制備而成。我們發現，微米通孔中油水界面的位置對于海膽狀MOF陣列的形成至關重要。初始狀態的PET膜上下表面過大的油/水接觸角差值導致了油水界面的接近水相，油相傳質距離變長，導致低質量MOF的形成。進一步通過降低兩個表面之間接觸角差值接近于0°，使油水界面位置位于微米通孔中間，從而制備了高質量MOF陣列（圖2）。基于該制備策略，還成功制備ZIF-8通道膜。

圖2. 表面浸潤性對MOF陣列形成的影響

作者進一步對MOF通道膜的金屬離子篩分性能進行研究，發現HKUST-1通道膜具有優異的一價/多價金屬離子選擇性以及一價金屬離子高滲透性（圖3）。一價鋰離子（Li⁺）對三價鋁離子（Al³⁺）、鉻離子（Cr³⁺）和四價鋯離子（Zr⁴⁺）的選擇性分別高達3292±329、3168±218和3930±373。同時Li⁺離子的通量達到1.97 mol h^-1?m^-2。該研究對開發具有亞納米通道的MOF分離膜提供了新途徑，在含鹽廢水處理、鹽湖提鋰等國家戰略新興領域具有巨大的應用前景。

圖3. MOFC膜的離子分離性能

論文信息

Wettability-Regulated Synthesis of Metal–Organic Framework Array with Subnanochannels Enables Efficient Separation of Mono-/Multivalent Metal Ions

Zihan Wu, Chen Li, Cheng Huang, Sha Cheng, Xiaozhi Ouyang, Wen Chen, Pengchao Zhang, Yanan Jiang, and Lei Jiang

該工作的第一作者是武漢理工大學碩士研究生吳子涵，張鵬超研究員和蔣亞楠副教授為論文共同通訊作者。

Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202301163

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