电泳结晶法制备超薄高性能金属有机框架膜

该方法有助于解决多晶金属有机框架（MOF）薄膜合成中的关键问题，例如如何可重复地合成MOF膜。该技术的主要优势在于，我们能够在多种基底上控制异相成核，从而制备出超薄、无针孔的MOF薄膜。通过结合可控成核与生长的晶体工程手段，我们旨在简化MOF薄膜的合成工艺流程。

首先将高纯度铜箔切割成 4 厘米 × 4 厘米的方片。为便于使用一对铜制鳄鱼夹夹住铜箔，可在每片方箔的一边距边缘 0.5 厘米处划一条线。然后在洁净表面上用圆柱形滚轮将每片铜箔压平。

将铜箔在丙酮中超声清洗15分钟，随后在异丙醇中超声清洗15分钟，彻底清洁铜箔。然后将铜箔置于玻璃培养皿中干燥。使用胶带小心地将所需基底固定在铜电极的中心位置。

用纯水冲洗基底电极组件一分钟，接着用异丙醇冲洗，然后再用纯水冲洗一次。随后，将一个裸露的铜电极连接到阳极上，再将基底电极组件连接到阴极上。

将两个电极放入一个100毫升的玻璃烧杯中，并调节电极间距至1厘米。向一个100毫升的烧杯中加入31.6克六水合锌溶液和35克苯并咪唑溶液，在室温下搅拌30秒，形成前驱体溶胶。将前驱体溶胶转移至含有电极的烧杯中。

然后通过调节烧杯的高度，将两个电极浸入至3.5厘米刻度处。开启电源，施加1伏的沉积电压，持续4分钟，进行电泳沉积。沉积结束后，缓慢降低烧杯，以避免扰动新沉积的核层与基底之间较弱的附着力。

干燥基底后，使用胶带将其转移至显微镜载玻片上，以固定基底位置。为促进晶体生长，将31.6克六水合锌溶液与35克2-甲基咪唑溶液混合于100毫升烧杯中。将带有基底的显微镜载玻片垂直放入前驱体溶液中，并在30°C下静置10小时，期间避免扰动。

晶体生长10小时后，用水冲洗基底30分钟，然后在洁净环境中干燥基底。配制密封剂时，将等量的环氧树脂和固化剂充分混合，并静置混合物1小时。

将ZIF-8膜置于一个直径为24毫米的钢片上，钢片中央有一个直径为5毫米的孔。沿基底边缘涂抹环氧树脂，随后覆盖基底，仅留中央直径5毫米的孔暴露。待环氧树脂过夜干燥后，使用体视显微镜结合已知的参考标尺对膜进行扫描。

使用图形软件根据扫描图像计算膜的暴露面积。接着将带有膜的钢盘放入不锈钢渗透池中，并将渗透池置于烘箱内。通过在钢盘上下放置Viton O形圈并拧紧螺丝，确保密封不漏。

将进料侧和扫气侧的气体流速均设置为30毫升每分钟。在合成过程中，为去除膜组件中吸收的水分，使用氢气作为进料气体、氩气作为扫气气体，在130摄氏度下加热膜组件两小时。通过分别调节滞留侧和渗透侧的针阀，将进料侧和扫气侧的压力维持在0.1兆帕。

将进料侧的气体流量切换为目标气体，并将气体流速设定为 30 毫升每分钟。将烘箱温度设置为所需温度。待质谱数据表明达到稳态后，使用 Excel 计算渗透率。

SEM 图像和 XRD 图谱显示，ZIF-8 成核薄膜致密，表明 ENACT 方法在控制基底上异相成核密度方面具有较高的效率。生长后通过 SEM 观察到的薄膜形貌致密、无针孔，且呈现出高度互生的特征。此处展示了 AAO 载体、ZIF-8/AAO 膜、PAN 载体以及 ZIF-8/PAN 膜的表面和横截面形貌。

ZIF-8/AAO 和 ZIF-8/PAN 膜的气体渗透数据显示，其氢气/丙烷选择性分别为 2700 和 190，证明该 MOF 膜几乎无缺陷。由于膜厚极薄，ZIF-8/AAO 膜表现出极高的氢气渗透率。在实施该实验步骤时，必须等待晶体成核发生后，再进行电泳沉积。

例如，可通过透射电子显微镜研究前驱体溶胶来确认晶体的诱导形成。该方案只需调控电场和电泳沉积时间，即可精确控制异质成核密度及成核薄膜的厚度，并可拓展用于合成多种结构的多晶薄膜。该技术的发展为我们系统研究工程化厚度小于100纳米的金属有机框架（MOF）薄膜铺平了道路。

请注意，使用甲基咪唑和硝酸锌可能存在危险，因此在进行本实验操作时，必须采取佩戴手套、在通风橱内操作等预防措施。