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海藻酸盐水凝胶:一种原位制备金属-有机骨架-聚合物复合材料的可塑性多功能平台
摘要
这项工作报告了一种新颖的原位生长方法，将金属有机骨架材料整合到一个藻类基层中，克服了将粒子加工成特殊形状结构以满足实际工业应用的挑战。 通过金属离子交联海藻酸盐水凝胶与MOF配体溶液后处理，制备了多种金属离子-海藻酸盐复合物。MOF颗粒分布均匀，嵌在复合材料的表面和内部。 复合材料的宏观形状可以通过控制相应的水凝胶的形状来调控，从而得到MOF-海藻酸盐微珠、纤维和膜。 另外，利用不同金属离子交联的海藻酸盐水凝胶成功地制备了4种不同的海藻酸盐复合材料，包括 HKUST-1-、 ZIF-8-、 MIL-100(Fe)-和 ZIF-67- 海藻酸盐。 揭示了其形成机理，证明了该复合材料是一种有效的水净化吸附剂。
关键词 金属有机骨架，海藻酸盐水凝胶，复合材料，原位生长,吸附剂
1 引言
金属-有机骨架(MOFs)是由金属离子和有机桥接配体自组而成的一类新型多孔晶体材料。 它们是一种具有高度有序的周期性多孔结构，使其表面积高达7000 ，这是传统多孔材料所无法达到的。 此外，高的热稳定性、可调节的孔结构以及各种化学反应位点已经引起了许多不同领域的关注，包括气体储存，气体分离、化学传感器、催化、质子导体、电池、和药物输送。 然而，在实际的商业应用中，粒子形式限制了它们的潜力，通常需要特殊的有序的形状和形态。 因此，越来越多的努力集中于将大量的颗粒加工成球形、链、膜、和更多尺寸的结构。已经做了大量的努力将大量的颗粒沉积到化学稳定和成本效益高的塑料衬底上，如合成聚合物和陶瓷。然而，这种沉积方法受到基底的物理和化学要求的严格限制。 通过共混将MOF颗粒整合到聚合物基体中已被证明是制备强韧柔性MOF-聚合物复合材料的一种替代方法，通过将MOF颗粒整合到二维膜中，即混合基体膜(MMMS)已被广泛研究。 报道了多种聚合物基质制备 MMMS，主要用于气体分离，如聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚砜、聚离子液体、和聚1,1-二氟乙烯。 同时，还报道了将大量的颗粒掺入三维聚合物基体中，或者通过静电纺丝聚合物 / MOF溶液，或者通过高内相乳液作为一个模板。
然而，单一共混法制备的多聚物复合材料往往存在颗粒聚集和粒子与聚合物基体相互作用的问题，这些问题会影响复合材料的综合性能。 海藻酸钠是一种天然高分子材料，由1,4-d-甘露糖醛酸(M-嵌段)和alpha;-L-古洛糖醛酸残基(G-嵌段)组成。海藻酸钠是一种众所周知的高分子材料，能在较温和的条件下通过离子凝胶作用形成水凝胶。不同的二价金属离子和三价金属离子已被报道能够交联海藻酸盐和用于替代水凝胶。这种金属离子交联水凝胶是在模板上原位生长MOF以制备MOF -聚合物复合材料的良好候选材料。 在这项工作中，我们报告了一个稳健而直接的原位生长方法，为制备MOF-海藻酸盐复合材料。 我们证明了金属离子交联的海藻酸盐水凝胶可以通过在多种配体溶液中对水凝胶进行后处理而转化为MOF-海藻酸盐复合材料。 所得到的多孔-海藻酸盐复合材料保持了相应水凝胶的形状，从而使我们能够在宏观层面上控制复合材料的形状。 MOF颗粒在藻酸盐结构中分布均匀，并在表面分布。 这些复合材料可以很容易地作为便于从水中去除染料的吸收剂使用。 这种简单的复合材料制备方法极大地方便了在实际应用中通常需要的各种形状和形态的材料加工。 它可以将MOF的应用优势和加工制造中的高分子材料的加工及制备优势结合起来。
2 实验部分
