超疏水奈米孔洞材料—金屬有機骨架(MOF)的應用
109年09月15日
【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。 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