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(wú)機(jī)雜化材料。近年來(lái)，MOF材料一直是研究的熱點(diǎn)，多次登上各大頂刊，在過(guò)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(guó)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(guò)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(zhǎng)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(guó)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(guò)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(duì)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(duì)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(yáng)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(guò)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(wú)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(zhǎng)、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(guò)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(jí)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(guò)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(guò)電勢(shì)（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(zhǎng)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(guò)水分解吸來(lái)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)應(yīng)的等效焓為1705.6J·g-1。

?創(chuàng)新點(diǎn)2：在熱管理測(cè)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(chǔ)器件和無(wú)線充電器的性能。

5、中國(guó)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(duì)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(guó)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(duì)Cr(VI)的吸附是自發(fā)的吸熱過(guò)程

?創(chuàng)新點(diǎn)2：PAN/MOFs ENFMs在較寬的pH范圍內(nèi)對(duì)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(chǔ)

?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(guò)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(guò)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(lái)了優(yōu)異的存儲(chǔ)性能，增強(qiáng)了鈉離子的存儲(chǔ)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(chǔ)性能。