Matter：二维共价有机框架在石墨烯膜中的三重身份

文章信息

二维COF在石墨烯有机物分离纳滤膜中的三重作用

第一作者：隋潇， 王彧

通讯作者：陈元 *，吴昆励 *，周琨*

单位：悉尼大学，新加坡膜科学研究中心，南洋理工大学

研究背景

有机物的分离对于制药，催化和石油化工来说至关重要。相比于传统的高分子聚合膜来说，石墨烯膜在有机体系下更稳定，因此被认为是在有机分离中非常有吸引力的材料。

但是，石墨烯薄膜由于狭窄曲折的层间距导致溶液通量较低。之前有研究表明在石墨烯膜中插入二维共价有机框架（COF）作为层间间隔物可以增大膜的层间距来提升通量。而这个新发表的工作通过实验与计算相结合发现二维COF不仅仅只是间隔物，它在有机分离体系石墨烯膜中起到了间隔物，稳定剂和多孔填充物的三重作用。

插入二维COF后，膜性能的提升主要源于COF作为稳定剂和多孔填充物的作用，而非以往所认为的间隔物的作用。这一新观点有助于未来对于二维材料薄膜用于有机分离体系的设计与应用。

文章简介

基于此，来自悉尼大学陈元教授与新加坡南洋理工大学吴昆励博士和周琨教授合作，在Matter上发表标题为“The tripartite role of 2D covalent organic frameworks in graphene-based organic solvent nanofiltration membranes“的文章。突破对于二维COF在石墨烯薄膜（rGO）中的作用的常规看法 ，分析了COF在石墨烯薄膜用于有机分离中的三重作用。

图1.二维COF在石墨烯薄膜中的三重作用。

本文要点

二维COF与rGO杂化薄膜可通过加压过滤制备，此方法可简易轻松制备杂化薄膜。

插入二维COF后的杂化薄膜在不同有机溶剂体系下的性能均高于未插入COF的纯rGO薄膜。

XRD结果表面，干燥条件下，插入COF的杂化薄膜的层间距大于纯rGO薄膜。然而，在不同有机溶剂中，插入COF的杂化薄膜的层间距不但没有大于，反而小于或者接近于纯rGO薄膜的层间距。这表明COF的插入可以缓解层间距在有机溶剂中的溶胀，从而加强稳定性。并且，溶剂的通量和溶剂的粘度和介电常数密切相关。

计算结果表明，COF可缓解rGO层间距在有机溶剂中的溶胀是因为溶液诱发了电荷在COF/rGO界面的重新排布。这个电荷排布导致了一个在COF与rGO之间的吸引力的产生。并且在不同溶剂中的吸引力大小不一样，从而导致层间距在不同溶剂中的不同。

此外，由于COF有着小的片层尺寸和多孔结构，分子传输通道的长度大大减小，从而提高了膜的通量。

文章小结

本篇文章通过实验和计算研究二维COF在rGO薄膜中的三重作用。当膜干燥时，COF作为间隔物可增加rGO薄膜的层间距；在溶剂中浸润时，一个在COF和rGO间的吸引力因为界面电荷重新分布而产生，此时COF在rGO薄膜中起到了稳定剂作用来减缓膜的溶胀；并且，小尺寸的多孔COF提供了更短的传输通道使膜的通量增加，此时COF起到多孔填充物的作用。考虑到拥有类似性质的COF均可起到多重作用，本文中的观点可为今后的二维杂化薄膜设计提供更全面的指导。

文章链接

The tripartite role of 2D covalent organic frameworks in graphene-based organic solvent nanofiltration membranes

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521003131

第一作者介绍

隋潇 博士。

本科毕业于大连理工大学，硕士毕业于香港科技大学，博士毕业于悉尼大学（2020年），导师为陈元教授。2021年起在新南威尔士大学从事博士后研究。研究方向为新型材料膜的有效分离。以第一作者在Matter，Small，JMCA，Carbon等期刊上发表文章。

王彧 博士。

本科和博士毕业于南京师范大学，导师为李亚飞教授。2018年起在南洋理工大学从事博士后研究，导师为周琨教授。研究方向是计算化学和计算材料学。主要围绕二维材料展开研究，以第一/共同第一/通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Acc. Chem. Res.等期刊上发表文章35篇，Google Scholar引用4900余次，H因子31。

通讯作者介绍

陈元 教授。

本科毕业于清华大学，博士毕业于耶鲁大学。2005年到2015年在新加坡南洋理工大学做助理教授到副教授。在2015年成为悉尼大学教授。主要研究方向为碳材料和他们的可持续能源与环境的应用，包括电容器，电池，电催化，膜分离和抗菌涂层。目前担任Carbon和Journal of Alloys and Compounds的编辑。课题组网站：https://yuanchenlab.org/

吴昆励 博士。

2004年本科（荣誉学士）毕业于新加坡国立大学。之后在高中担任化学课组长。2016年，在南洋理工大学交叉学科研究院开始博士研究。现在在新加坡膜科学研究中心王荣教授研究组做高级博士后。吴昆励博士的研究方向为合成，官能化并且纳米尺度结构设计新型功能膜用于气体和水的分离。

周琨 教授。

于1998和2001年在清华大学分别获得学士和硕士学位，2006年在南洋理工大学获得博士学位，2006-2010年期间先后在南洋理工大学和美国西北大学从事博士后研究，现为南洋理工大学机械宇航学院副教授。周琨教授主要从事新型能源和环境材料的模拟与设计、3D打印以及材料的力学行为分析研究，目前担任Smart Manufacturing和Journal of Micromechanics and Molecular Physics的主编，Mechanics Research Communications、Virtual and Physical Prototyping、International Journal of Fatigue等多个国际期刊的副主编或编委。