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靜電紡絲+MOF，制備“神奇”的MOF膜材料！
2022-12-23 閱讀(1516)
靜電紡絲+MOF，制備“神奇"的MOF膜材料！
金屬有機(jī)框架（MOF）是一類新興的多孔有機(jī)-無機(jī)雜化材料。近年來，MOF材料一直是研究的熱點(diǎn)，多次登上各大頂刊，在過濾吸附、能源電池、催化等領(lǐng)域都能看到MOF的身影。MOF與靜電紡絲結(jié)合，又有哪些新奇的材料呢？
本期主要精選了6篇關(guān)于靜電紡MOF材料的最新研究進(jìn)展和2篇綜述，供大家了解學(xué)習(xí)。
一、研究進(jìn)展
1、中國科學(xué)院大學(xué)張遼云教授等人Adv. Sci.( IF 17.521)：新型原位制備 MOF-天然聚合物復(fù)合電解質(zhì)用于固態(tài)鋰金屬電池
?挑戰(zhàn)：金屬鋰因其高比容量和低氧化還原電位而成為鋰電池前景的負(fù)極材料。但是，在鍍鋰/剝鋰過程中，由于鋰沉積不均勻而產(chǎn)生的鋰枝晶容易導(dǎo)致電池短路，降低鋰電池的比容量。因此，如何抑制鋰枝晶的形成和生長成為解決鋰金屬電池安全性和提高電池性能的一大挑戰(zhàn)。
?方法：中國科學(xué)院大學(xué)張遼云&劉薇&崔巍合作采用原位復(fù)合方法，設(shè)計(jì)并制備了一種以改性天然聚合物和ZIF-67為基礎(chǔ)的新型復(fù)合膜。其中，采用靜電紡絲制備了一種由海藻酸鋰(LA)和聚丙烯酰胺(PAM)組成的改性天然聚合物。
?創(chuàng)新點(diǎn)1：天然聚合物的極性官能團(tuán)可以通過氫鍵相互作用，MOFs可以構(gòu)建鋰離子傳輸通道。因此，與不含MOF的LA-PAM電解質(zhì)相比，ZIF-67-LA-PAM電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口在4.5 ~ 5.2 V范圍內(nèi)變寬，鋰離子轉(zhuǎn)移數(shù)(tLi+)在30℃時(shí)從0.326提高到0.627。
?創(chuàng)新點(diǎn)2：ZIF-67-LA-PAM對稱電池在40和100 mA cm?2條件下具有較好的穩(wěn)定循環(huán)性能，LFP電池在10C和20C條件下具有較高的循環(huán)倍率。采用NCM811高壓正極的電池可穩(wěn)定運(yùn)行400個(gè)循環(huán)，0.5C時(shí)初始放電容量為136.1 mAh g?1。
2、 東北師范大學(xué)趙銳ACS Appl. Mater. Interfaces ( IF 10.383)：新型電紡納米纖維吸附劑可有效從水中吸附碘
?挑戰(zhàn)：從水溶液中高效捕獲放射性碘對于核能的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。然而，目前正在探索的吸附劑呈粉末狀，且吸附容量有限，不利于實(shí)際應(yīng)用。
?方法：東北師范大學(xué)趙銳副教授構(gòu)建了含有陽離子季銨基、不帶電胺基和多孔MOF材料(UiO-66-NH2)的新型靜電紡絲纖維吸附劑(N-MOF-PAN纖維)，可有效吸附飽和I2水溶液和I3-水溶液中的碘。
?創(chuàng)新點(diǎn)1：飽和I2溶液在180 分鐘內(nèi)可去除94.6%的碘，I3-溶液在240 分鐘內(nèi)可捕獲98.7%的碘。
?創(chuàng)新點(diǎn)2：N-MOF-PAN 纖維在濃縮 KI/I2 水溶液中表現(xiàn)出 3.56 g g-1 的高碘吸收能力，在 Langmuir 等溫線模型中表現(xiàn)出 3.61 g g-1 的高碘吸收能力，超過了許多已報(bào)道的水介質(zhì)中的碘吸附劑。
3、北京科技大學(xué)李從舉教授Chem. Eng. J. ( IF 16.744)：多孔碳納米纖維原位負(fù)載富含氧空位Co3O4/CeO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)助力Li-O2 電池氧催化
?挑戰(zhàn)：金屬空氣電池和燃料電池因其原材料豐富、能量密度高、價(jià)格低、無污染等特性受到了廣泛關(guān)注。目前，空氣型陰極的氧還原反應(yīng)（ORR）以及氧析出反應(yīng)（OER）是其總體性能提升的主要限制因素。
?方法：北京科技大學(xué)李從舉教授團(tuán)隊(duì)采用靜電紡絲、原位生長、高溫退火等方法制備了一種碳納米纖維支撐的Co3O4/CeO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)，有望通過協(xié)同雜化及電子耦合效應(yīng)提高氧催化活性。
?創(chuàng)新點(diǎn)1：MOF多面體在纖維表面的高度分散，且碳化之后得益于揮發(fā)性物的揮發(fā)，樣品表面出現(xiàn)了較多的孔洞，有利于反應(yīng)物的傳輸。Co3O4和CeO2納米顆粒位于MOF衍生物的表面，而Co納米顆粒主要分布于纖維基底內(nèi)，具有的分層多級結(jié)構(gòu)。
?創(chuàng)新點(diǎn)2：復(fù)合物具有較多的氧空位，缺陷特性傾向于誘導(dǎo)不飽和配位環(huán)境的形成，并作為吸附反應(yīng)物的催化位點(diǎn)，從而加速電催化過程。
?創(chuàng)新點(diǎn)3：Co3O4/CeO2@Co/N-CNF樣品修飾的鋰氧電池展現(xiàn)了優(yōu)的電化學(xué)性能，包括較低的充放電過電勢（500和1000 mAh g?1中間截止容量下分別為0.87和1.09 V），高放電/充電比容量（100 mA g?1電流密度下為9667.3/9317.3 mAh g?1），優(yōu)異的長循環(huán)穩(wěn)定性等。
4、上海交通大學(xué)黃興溢教授 Sci. Bull. ( IF 20.577 )：具有超高金屬有機(jī)框架負(fù)載的分層多孔復(fù)合織物實(shí)現(xiàn)零能耗散熱
?挑戰(zhàn)：從大氣中收集水分，然后通過水分解吸來散熱，是實(shí)現(xiàn)零能耗熱管理的一種有效且可行的方法。然而，目前的方法受到吸水率低、水蒸氣透過率（WVTR）低和穩(wěn)定性低的限制，從而導(dǎo)致熱管理能力低。
?方法：上海交通大學(xué)黃興溢教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新的濕度控制靜電紡絲方法，制備分層多孔MOF復(fù)合材料。該方法可通過濕度控制相分離，更易構(gòu)建多孔靜電紡絲纖維。
?創(chuàng)新點(diǎn)1：復(fù)合織物富含 MOF (75 wt%)，其 WVTR 值可高達(dá) 3138 g m?2 d–1。復(fù)合織物還表現(xiàn)出穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)和性能。在常規(guī)環(huán)境下（30℃，60%相對濕度），復(fù)合織物在1.5h內(nèi)吸附水蒸氣再生至飽和值Wsat為0.614g·g-1，對應(yīng)的等效焓為1705.6J·g-1。
?創(chuàng)新點(diǎn)2：在熱管理測試中，復(fù)合材料顯示出較強(qiáng)的冷卻能力，顯著提高了熱電器件、便攜式存儲器件和無線充電器的性能。
5、中國地質(zhì)大學(xué)代云容副教授J. Clean. Prod. ( IF 11.072 )：鐵基金屬有機(jī)骨架復(fù)合靜電紡納米纖維膜用于吸附和還原水中Cr(VI)
?挑戰(zhàn)：MOFs材料對水中重金屬展現(xiàn)出較好的吸附性能，但粉末狀的MOFs在水中易發(fā)生團(tuán)聚，顯著降低其吸附效率，且在吸附處理后難以從水中分離回收，存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)，限制了MOFs在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。
?方法：中國地質(zhì)大學(xué)代云容副教授采用水熱合成法制備了Fe-MOFs，然后與PAN溶液進(jìn)行混合電紡，得到PAN/MOFs納米纖維膜。
?創(chuàng)新點(diǎn)1：PAN/MOF ENFMs能夠快速吸附水中的Cr(VI)，并將其還原為Cr(III)；PAN/MOFs ENFMs對Cr(VI)的吸附是自發(fā)的吸熱過程
?創(chuàng)新點(diǎn)2：PAN/MOFs ENFMs在較寬的pH范圍內(nèi)對Cr(VI)保持較高的吸附能力；Cr(VI)的去除以物理吸附為主，同時(shí)伴隨化學(xué)吸附。
6、北京大學(xué)鄒如強(qiáng)教授Carbon ( IF 11.307 )：CoS納米顆粒包裹N/S摻雜碳納米纖維，實(shí)現(xiàn)的鈉存儲
?挑戰(zhàn)：金屬有機(jī)框架（MOF）衍生的碳納米材料正在成為鈉離子電池的有前途的負(fù)極材料。然而，熱解過程中雜原子的損失和聚集嚴(yán)重阻礙了其進(jìn)一步的應(yīng)用。
?方法：北京大學(xué)鄒如強(qiáng)教授等人利用靜電紡絲將高能MOF結(jié)構(gòu)化成納米纖維，然后進(jìn)行一步硫化。合成了具有超大層間距（0.422 nm）的CoS納米顆粒包覆N/S摻雜多孔碳納米纖維（CoS/NSCNF），改善了鈉離子的擴(kuò)散特性和相行為。
?創(chuàng)新點(diǎn)1：將CoS/NSCNF用作鈉離子電池的負(fù)極，在6Ag-1電流密度下經(jīng)過2250次循環(huán)后，展現(xiàn)出358.5mAhg-1的優(yōu)異倍率性能。
?創(chuàng)新點(diǎn)2：與MOF衍生的碳相比，CoS/NSCNF 的豐富的N/S缺陷、擴(kuò)大的碳間距和連續(xù)的一維結(jié)構(gòu)帶來了優(yōu)異的存儲性能，增強(qiáng)了鈉離子的存儲能力。另外，氮摻雜也有利于 CoS/NSCNF的鈉離子吸附能力，從而提高存儲性能。
