张振杰课题组：成功构建一类自愈型超交联高分子-金属有机笼(HCMOPs)复合膜

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膜材料被列入新材料“十三五”规划专项工程，是国家重点发展的领域。目前，大多数商业化的膜制品是由有机高分子制成的，通常存在机械性能较差、渗透性和选择性此升彼降的矛盾关系（Trade-off效应）、功能性单一等缺点，人们为了解决这些问题将关注点集中在新型膜材料的开发上，其中有机-无机复合膜可以综合有机高分子材料和无机材料的优点，为解决传统膜材料的问题提供了很好的思路。但目前报道的有机-无机混合基质膜存在填充剂与高分子间结合力弱的问题，导致膜在某些应用场景下存在泄露的问题。金属有机笼(MOPs)具有良好的溶解度、丰富的活性有机位点和金属位点，有望与高分子通过化学键联接来增强与高分子之间的结合力。这样既可以克服混合基质膜方法的缺点，保留了高分子链本身的特性（例如柔性、可加工性等），还获得了许多独特的功能（例如高强度、选择性等）。目前将MOPs-高分子通过化学键进行复合的报道非常有限，所得到的材料大多于粉末或凝胶状态存在，限制了它们的应用领域。因此，迫切需要研究者去开发新的策略来制备新型的、多功能的高分子-MOPs复合膜。

近期，南开大学化学学院张振杰研究员与利默里克大学的Michael J. Zaworotko教授、药物化学生物学国家重点实验室陈瑶研究员合作，首次提出超交联金属有机笼（hypercrosslinked MOPs，简称HCMOPs）的概念，并成功制备一类新型的高分子-金属有机笼复合膜，即将可溶性的MOPs作为共聚单体参与聚合反应，同时MOPs作为高连接结点赋予膜材料优异的性能。该复合膜继承了MOPs（例如阳离子性质和永久孔隙率）和聚合物（例如自愈合能力、抗菌活性、高水通量和良好加工性）的优点。将MOPs引入高分子后，可显著提高膜材料的机械性能和选择性分离性能。自愈性能和抗菌活性也进一步扩大了HCMOPs膜的潜在用途（例如杀死病原体和改善膜的耐久性等），有望用于治理水资源中的病原体污染。HCMOPs膜不仅克服了传统混合基质膜的trade-off效应，并且提出一种用于制备高分子-MOPs复合膜的新方法。这个方法同样适用于其他可溶性多孔材料和其他高分子基质，为MOPs和膜材料的发展提供了一种新的方向。


该工作最近发表在J. Am. Chem. Soc. 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b05155。文章第一作者为南开大学化学学院二年级硕士生刘金津。通讯作者是南开大学化学学院的张振杰研究员、利默里克大学的Michael J. Zaworotko教授和药学院的陈瑶研究员。项目感谢自然科学基金青年项目和天津市自然科学重点基金的资助。


张振杰，男，南开大学化学学院研究员。2002-2009年期间在南开大学获得材料化学学士学位和无机化学硕士学位（导师：长江学者程鹏教授）。2010-2014年期间，在美国南佛罗里达大学化学系获得化学博士学位（导师：Michael J. Zaworotko教授），主要研究卟啉负载的金属-有机框架材料的新合成方法和后修饰研究。2014-2016年期间，在加州大学圣地亚哥分校化学与生物化学系Seth M. Cohen教授研究组从事博士后工作研究，主要研究方向是高分子-金属有机框架杂化材料。2016年7月受聘于南开大学化学学院任特聘研究员。张振杰研究员在相关领域发表论文40余篇，其中以第一作者发表论文16篇，其中包括J. Am. Chem. Soc.（4 篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）、Chem. Sci.（1 篇）、Chem. Soc. Rev.（1 篇）等。获得了2013年国家优秀自费留学生奖学金和2014年ACS Young Investigator Award（美国化学学会青年科学家奖）。