最新Science：用于分子分离的混合基质金属有机框架膜的合理设计

解读-用于分子分离的混合基质金属有机框架膜的合理设计

分离有价值商品的常规分离技术是能源密集型的，消耗了全世界接近15%的能源。混合基质膜(MMM)将可加工聚合物和选择性吸附剂结合在一起，提供了将吸附剂不同的分离性能部署到可加工基质中的潜力。然而，由于吸附剂填料在聚合物基体中的反复团聚和沉降以及吸附剂-聚合物界面之间的不相容性，成功地将不同性质的吸附剂转化为MMM仍然是一个长期的挑战。这些挑战阻碍了高选择性膜的实现，降低了膜的机械性能。

[成果掠影]

为了解决上述挑战，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学Mohamed Eddaoudi课题组报告了基于三个互锁标准的高效混合基质金属有机框架膜的合理设计和构造：(i)氟化金属有机框架AlFFIVE-1-Ni作为分子筛吸附剂，在排除甲烷的同时选择性地增强硫化氢和二氧化碳扩散；(ii)将晶体形态调整为具有最大暴露(001)晶面的纳米片；(iii)(001)纳米片在聚合物基质中的面内排列和获得[001]取向膜。在实际工作条件下，该膜表现出特别高的硫化氢和二氧化碳与天然气的分离。这种方法为其他关键吸附剂转化为可加工基质提供了巨大的潜力。相关论文以题为：“Rational design of mixed-matrix metal-organic framework membranes for molecular separations”发表在Science上。

[核心创新点]

• 本工作报告了基于三个互锁标准的高效混合基质金属有机框架膜的合理设计和构造。
• 该金属有机框架膜在实际工作条件下表现出极高的硫化氢和二氧化碳从天然气中的分离率。
• 本工作表明，该方法提供了将其他关键吸附剂转化为可加工基质的巨大潜力。

 [数据概览]

图1. AlFFIVE-1-Ni的晶体结构和形貌（点群4/mmm）

图2. 从不同区域轴获得的AlFFIVE-1-Ni纳米片的Cs校正STEM图像

图3. [001]取向MMMOF膜的制备和表征

图4. 气体分离特性

[成果启示]

总之，本工作所报道的增强性能可以通过认识到三个本质标准的重要性来合理化。(001)纳米片的面内取向和极高的负载量是实现分离性能的显著原因。纳米片根据其动力学直径通过取向膜选择性地输送气体。实际上，这种厘米级的柔性取向膜可以看作是柔性晶体的单片，其中成千上万的纳米片在预定的晶体学方向上均匀排列，排列的纳米片之间的空隙被聚合物填充。结果证实了将MOF晶体形态调整为定向纳米片的潜力，允许1D通道的所需方向平行于气体扩散方向，并提供最大化定向膜性能的机会，如本文所证明的各种气体分离。

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe0192