近日，我所催化基礎國家重點實驗室無機膜與催化新材料研究組（504組）楊維慎研究員、彭媛副研究員團隊在金屬—有機框架（metal-organic framework, MOF）膜設計與分離應用方面取得新進展，提出了模塊化定制無缺陷高效MOF分離膜的鏈條式研究新策略，實現了MOF模塊的快速編輯，并驗證了對應膜的高精度分離可行性，有望為應對現今大宗/特定領域高效分離需求的分離膜研發提供科學與技術基礎。
分離純化在工業生產中占據重要地位。隨著行業細分與迭代升級，分離目標日益多樣化、特制化。膜分離是一種節能、環保、高效的新型分離技術。MOF材料憑借其豐富的骨架種類、多樣化孔結構和高度可設計性等優勢，被認為是理想的優質膜材料候選之一。然而，高性能MOF膜的開發過程耗時費力，且受難以避免的非均相成核、缺陷、裂痕等問題困擾，無法準確表達材料本征孔道結構分離能力，致使MOF膜的實際分離性能遠低于理論模擬數值。目前，用于膜分離的MOF數量，與劍橋晶體學數據中心公開的MOF材料數量相比，只是滄海之一粟。因此，需要開發快速制備任意MOF膜，并且能精準展示該MOF本征分離能力的方法。
積木組件相互獨立，若選擇不同形狀組件相互配合緊固，可搭建成千變萬化的功能模型。本工作中，受這種結構特征的啟發，研究團隊提出了一種模塊化定制無缺陷高效MOF分離膜的新策略。該膜結構包含兩大平行模塊，一個是基于非均相成核特點形成的離散MOF模塊，主要利用本征孔道結構實現分子傳質與分離；另一個是限域界面聚合形成的高度交聯、超低滲透的聚酰胺（PA）模塊，負責消除MOF模塊間缺陷。在該策略指導下，團隊隨機替換MOF模塊可定制相應MOF分離膜，實現了高性能MOF分離膜的快速產出。此外，團隊單獨對膜內MOF模塊骨架進行無損調控，實現了分離精度的倍增。
為驗證上述策略，團隊選取四種具有不同結構和表面化學性質的MOFs材料（NH2-Zn2Bim4、Ni(HBTC)(4,4'-bipy)、MOF-74(Mg)、MIL-68(Al)，覆蓋一維至三維孔道類型）構筑了四種MOF分離膜。所制備的MOF分離膜可根據選用MOF模塊孔道差異展現出可調控的分離性能，其中NH2-Zn2Bim4膜對H2/CO2混氣分離因子達到1656，H2滲透率達到964GPU。此外，這一復合膜的獨特結構還允許執行框架配體局域交換策略，實現對MOF模塊孔窗尺寸的無損調控。調控后的膜對H2/CO2選擇性相較于初始膜提高了約200%。
研究團隊長期致力于框架膜設計與精準分離應用研究，前期在超薄框架膜的研究上取得了系列成果，包括提出并發展了二維MOF膜新策略（Science，2014；Angew. Chem. Int. Ed.，2017）、膜材料與膜結構調控實現高效碳捕獲（Angew. Chem. Int. Ed.，2021；Angew. Chem. Int. Ed.，2022；Angew. Chem. Int. Ed.，2023）。在此基礎上，團隊另辟蹊徑，規避了框架膜研發傳統路線與瓶頸問題，初步實現了批量化、定制化的框架分離膜柔性制造。該工作建立了MOF材料篩選—普適性膜產品制造—高精分離驗證—納微結構無損調控的全鏈條分離膜研究模式，為定制高性能分子篩膜和分離純化獲取高品質產品開辟了一條新途徑。
相關工作以“Modular Customization and Regulation of Metal-Organic Frameworks for Efficient Membrane Separations”為題，于近日發表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上。該工作第一作者是我所504組博士后束倫。上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院青促會等項目的資助。（文/圖 彭媛、束倫）
