北京理工大学Adv. Mater. ：一种用于大量生产MOF滤膜的对辊热压印方法

【引言】

在过去的几十年中，由于人类活动造成的空气污染已成为一个世界性的问题。特别是在中国等发展中国家，颗粒物（Particulate matters，PMs）作为一种主要的污染源，已经造成严峻的环境问题。传统袋式除尘器（也叫织物过滤器）已经不能滤掉极细PM（微米和亚微米级别），而且由于袋式除尘器的材料成分限制，它的工作环境有严格的温度控制。因此，柔韧的、易获取的、能在大工作温度范围中保持高强度和效率而且容易装配在现存的管道系统、车辆或飞机发动机管和反应容器的过滤器是长期的追求目标，但是大部分并没有得到满足。

【成果简介】

近日北京理工大学王博教授（通讯作者）等人在Adv. Mater.上发表了一篇题为“Roll-to-Roll Production of Metal-Organic Framework Coatings for Particulate Matter Removal”文章。文章主要介绍了一种用于批量制备金属有机骨架配合物（MOF）基滤膜的对辊热压印方法。研究人员尝试了五种柔性衬底（塑料网、玻璃布、金属网、无纺布和三聚氰胺海绵）和三种不同的MOF体系（沸石咪唑盐框架-8即ZIF-8、ZIF-67和Ni-ZIF-8）。还将这种方法扩展到层叠形式。制造出的MOF滤膜表现出优秀的PM过滤性能，并能在80-300℃的温度范围内拥有高强度。PM去除效率在长时间的测试过程（30天）保持在90%以上。测试过后，ZIF-8@塑料网容易清洗，并且可以重复使用三次后，不出现明显的效率损失。

【图文导读】

图1. 制造去除PM的MOF基滤膜的对辊工艺示意图

以ZIF-8@塑料网为例。300μm厚10cm宽的塑料网，首先涂覆ZIF-8前驱（Zn(OAc)₂·2H₂O，2-甲基咪唑和聚乙二醇（作为引发剂）），随后在80℃、15rpm的条件下在两个轧辊之间进行轧制。前后轧制几次后，塑料的线上产生ZIF-8纳米晶体。

图2.塑料网上逐层涂覆MOF示意图及相关表征

（a）叠层制造MOF涂层的示意图。

（b）ZIF-8的附着和相应的剩余透光率（与裸塑料网相比）。裸塑料网（5 mm × 1.5 mm）的透光率为68.8%。剩余透光率是ZIF-8@塑料网与裸塑料网的透光率之比。误差棒表示三组平行试验之间的标准偏差。

（ c-i）7个道次中ZIF-8@塑料网的扫描电镜图。中间和最下面一行的图是对应于上一行方形标志内的放大图；标尺：最上行：500 μm，中间行：100μm，最下行：10μm。

图3. 三道次ZIF-8@密胺泡沫的柔性展示和去除 PM 性能测试

（a）弯曲的三道次ZIF-8@密胺泡沫。

（b）扭曲的三道次ZIF-8@密胺泡沫。

（c）用于PM去除试验的模拟管道条件，烟雾由焚香制造。

（d） 三道次ZIF-8@密胺泡沫的长期PM去除能力。蓝色对应PM2.5，绿色对应PM10。误差棒表示三组平行试验之间的标准偏差。

图4. 七道次ZIF-8@塑料网的表征和去除PM性能测试

（a）砂纸上的七道次ZIF-8@塑料网。

（b）PM去除测试中的七道次ZIF-8@塑料网。

（c）PM去除测试后的扫描电镜图；PM颗粒在第二行的图中被圈出。

（d）用水清洁后的七道次ZIF-8@塑料网扫描电镜图。

（e）循环性能。

（f）大型七道次ZIF-8@塑料网图。

（g）7月10号至8月10号一个月之间的长期PM去除性能（单日最大5值>100 μg/ m³）。误差棒表示三组平行试验之间的标准偏差。

【结论】

一种通用且可扩展的用于大量生产MOF滤膜的对辊热压印方法已经出现。这种方法已经应用于不同的MOF体系中（如ZIF-8、ZIF-67和Ni-ZIF-8）和不同的基材（如塑料网、玻璃布、金属网和无纺布），并且已经延伸到层叠形式。这种方法获得的MOF滤膜显示出优秀的强度，较大的工作温度范围（80-300℃），在室温和200℃下都有优秀的PM去除效率。这些多用的MOF滤膜可以应用于各种实际应用，例如滤水管、袋式除尘器以及用于车辆或飞机发动机系统的入口屏障过滤。在测试条件下和室内环境，MOF滤膜的透光率未发生改变并且有很好的渗透性、高PM去除效率、较好的长期留存率以及易于重新使用。这些高性能的MOF滤膜以及连续卷轴大量生产技术，无论在室内还是工业环境都有很好的前景。

【文献信息】

文献链接：Roll-to-Roll Production of Metal-Organic Framework Coatings for Particulate Matter Removal （Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201606221）

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