最新Science：用于分子分離的混合基質金屬有機框架膜的合理設計

解讀-用于分子分離的混合基質金屬有機框架膜的合理設計

分離有價值商品的常規分離技術是能源密集型的，消耗了全世界接近15%的能源。混合基質膜(MMM)將可加工聚合物和選擇性吸附劑結合在一起，提供了將吸附劑不同的分離性能部署到可加工基質中的潛力。然而，由于吸附劑填料在聚合物基體中的反復團聚和沉降以及吸附劑-聚合物界面之間的不相容性，成功地將不同性質的吸附劑轉化為MMM仍然是一個長期的挑戰。這些挑戰阻礙了高選擇性膜的實現，降低了膜的機械性能。

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[成果掠影]

為了解決上述挑戰，沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學Mohamed Eddaoudi課題組報告了基于三個互鎖標準的高效混合基質金屬有機框架膜的合理設計和構造：(i)氟化金屬有機框架AlFFIVE-1-Ni作為分子篩吸附劑，在排除甲烷的同時選擇性地增強硫化氫和二氧化碳擴散；(ii)將晶體形態調整為具有最大暴露(001)晶面的納米片；(iii)(001)納米片在聚合物基質中的面內排列和獲得[001]取向膜。在實際工作條件下，該膜表現出特別高的硫化氫和二氧化碳與天然氣的分離。這種方法為其他關鍵吸附劑轉化為可加工基質提供了巨大的潛力。相關論文以題為：“Rational design of mixed-matrix metal-organic framework membranes for molecular separations”發表在Science上。

[核心創新點]

• 本工作報告了基于三個互鎖標準的高效混合基質金屬有機框架膜的合理設計和構造。
• 該金屬有機框架膜在實際工作條件下表現出極高的硫化氫和二氧化碳從天然氣中的分離率。
• 本工作表明，該方法提供了將其他關鍵吸附劑轉化為可加工基質的巨大潛力。

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?[數據概覽]

圖1. AlFFIVE-1-Ni的晶體結構和形貌（點群4/mmm）

圖2. 從不同區域軸獲得的AlFFIVE-1-Ni納米片的Cs校正STEM圖像

圖3. [001]取向MMMOF膜的制備和表征

圖4. 氣體分離特性

[成果啟示]

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總之，本工作所報道的增強性能可以通過認識到三個本質標準的重要性來合理化。(001)納米片的面內取向和極高的負載量是實現分離性能的顯著原因。納米片根據其動力學直徑通過取向膜選擇性地輸送氣體。實際上，這種厘米級的柔性取向膜可以看作是柔性晶體的單片，其中成千上萬的納米片在預定的晶體學方向上均勻排列，排列的納米片之間的空隙被聚合物填充。結果證實了將MOF晶體形態調整為定向納米片的潛力，允許1D通道的所需方向平行于氣體擴散方向，并提供最大化定向膜性能的機會，如本文所證明的各種氣體分離。

文獻鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe0192