连接微观结构,中尺度组件和宏观架构在3D打印的层次性多孔共价有机框架泡中

科学领域:

• 材料科学
• 纳米技术
• 环境工程

背景情况:

• 提高多孔材料中的污染物吸附性需要提高内在微孔的可访问性.
• 在晶体有机材料中创建连续的,分层的,多孔的宏观架构是一个重大挑战.
• 共价有机框架 (COF) 提供可调节的特性,但通常缺乏大量应用的层次性孔隙性.

研究的目的:

• 开发一种用于制造具有控制宏观架构的层级多孔COF泡的新型合成策略.
• 在散装COF材料中将有序的微孔与无序的中孔/宏孔和有序的宏孔结合起来.
• 在保持结构完整性和多孔性的情况下,设计基于复杂几何的3D打印COF物体.

主要方法:

• 采用一种新的合成方法,以创建包含石墨烯氧化物 (GO) 的层次性多孔COF泡,以产生无序的孔隙.
• 利用前体水凝的风学特性,使晶体COF-GO泡能够3D打印成所需的形状和尺寸.
• 进行了孔隙结构的表征,包括微孔隙 (2-2.2 nm),中/大孔隙 (50 nm至 200 μm) 和有序的大孔隙 (1.5 mm至 2 cm).

主要成果:

• 层次上多孔的COF-GO泡成功合成,孔径跨越六个数量级 (10−9m到10−3m).
• 3D打印的COF-GO泡保持了结构秩序和连续的孔隙性,使复杂的几何形状成为可能.
• 由于相互连接的3D开口和增强的水流量 (1.13 × 10-3 m·s-1),工程泡在30秒内消除了超过95%的有机和无机污染物.

结论:

• 已经建立了一种可扩展的方法,用于生产具有可调整3D宏观架构的等级多孔COF泡.
• 开发的COF-GO泡在快速清除水污染物方面表现出卓越的性能,这是由于其独特的层次性孔隙结构和高孔径 (55%).
• 这项工作展示了3D打印COF泡作为高效水处理应用的先进材料的潜力.