【纳米】南京工业大学汪勇教授团队Nano Lett:甘油诱导二维组装制备纳米筛用于高效分离

纳米筛是一种具有片层结构和贯穿纳米孔道的二维材料,具有传输路径短、传质阻力低和尺寸选择性高等特点,已被广泛应用于催化、能量存储/转化和分离等领域。目前纳米筛一般通过刻蚀法或剥离法进行制备,如多孔氧化石墨烯、共价有机框架等。然而,刻蚀法较难实现对孔径、孔位置和孔密度等的精确调控,剥离法所得纳米筛存在片层厚度多分散、尺寸小和产率低等问题。因此,亟需发展简单高效的方法制备片层厚度和孔结构均匀可控的纳米筛。

南京工业大学汪勇教授课题组提出了一种甘油诱导的二维组装策略,自下而上制备了厚度和孔径均一可调的酚醛树脂纳米筛。实验和模拟研究发现,甘油通过强氢键作用包裹酚醛树脂/聚醚胶束(组装单元),使胶束的库仑相互作用增强、分散性提高、运动速率降低,从而诱导胶束沿二维方向组装,最终得到具有单层均孔结构的酚醛树脂纳米筛(图1)。所得纳米筛横向尺寸可达上百微米,片层厚度和孔径均小于10 nm(图2)。将纳米筛负载于大孔基膜表面用于分子分离,由于高密度且贯穿的均一孔道可极大地缩短传输路径,纳米筛表现出优异的渗透选择性,其渗透性可达其它文献报道的分离材料的2-110倍,并可应用于有机溶剂等分离体系(图3)。

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图1. 酚醛树脂纳米筛形成机理示意图:(a)甘油包裹的酚醛树脂/聚醚胶束,(b)二聚体和三聚体,(c)由二聚体和三聚体二维组装形成的二维结构,(d)进一步组装及热聚合形成的二维结构,(e)完全热聚合形成的酚醛树脂/聚醚纳米片,和(f)除去聚醚形成的酚醛树脂纳米筛。图片来源:Nano Lett.

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图2. 以聚醚F127制备酚醛树脂纳米筛:(a)纳米筛合成过程示意图;酚醛树脂/F127纳米片的(b-d)SEM图和(e)尺寸分布图;酚醛树脂纳米筛的(f)AFM图,(g)片层厚度,(h)TEM图,(i)SEM图,(j)AFM图,(k)氮气吸脱附等温线,(l)基于Barrett-Joyner-Halenda模型的孔径分布曲线,和(m)SAXRD图。(h)和(i)中的白色圆圈表示有序孔。图片来源:Nano Lett.

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图3. 纳米筛膜的形貌和性能:膜厚为30 nm的酚醛树脂纳米筛膜的(a)照片和(b)表面SEM图;(c)膜厚为140 nm的酚醛树脂纳米筛膜的截面SEM图;(d)不同膜厚酚醛树脂纳米筛膜的分离性能;膜厚为30 nm的酚醛树脂纳米筛膜(e)对不同分子量PEG的截留性能和(f)对油(甲苯)溶性纳米金的截留性能;(g)酚醛树脂纳米筛膜经浓硫酸处理后所得炭纳米筛膜的分离性能;(h)浓硫酸炭化前后纳米筛膜的分离性能比较;(i)纳米筛膜与文献中报道的其它膜的分离性能比较。图片来源:Nano Lett.
该工作通过甘油诱导的胶束二维组装合成了具有均匀贯穿孔道的酚醛树脂纳米筛,其横向尺寸达上百微米,孔径(2.5-9.5 nm)和片层厚度(2.3-5.5 nm)可通过改变聚醚的分子量进行调控,独特的二维均孔结构使纳米筛具有高渗透性和高分离选择性。该方法可被拓展用于制备其它二维材料,并在不同领域应用中发挥重要作用。
相关论文近期发表在Nano Letters 上,通讯作者为汪勇教授,第一作者为兰倩倩博士(现就职于江南大学)。研究成果得到了国家杰出青年基金(21825803)等项目资助。
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【纳米】南京工业大学汪勇教授团队Nano Lett:甘油诱导二维组装制备纳米筛用于高效分离
Nanomeshes with Sub-10 nm Pores by Glycerol-Triggered 2D Assembly in Liquid Phases for Fast and Selective Membranes
Qianqian Lan, Zhipeng Zhang, Fang Xu, Mingjie Wei, and Yong Wang*
Nano Lett., 2021, 21, 3302-3309, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00826

 

导师介绍
汪勇
https://www.x-mol.com/university/faculty/11642

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