JACS: “分子織造”重塑MOF玻璃膜,兼具高通量與耐壓性的碳捕獲新材料

隨著全球“碳中和”進程的加速，高效且可持續(xù)的碳捕獲技術(shù)成為能源與化工領(lǐng)域的焦點。膜分離因能在常溫常壓下實現(xiàn)高選擇性分離，被認為是取代能耗巨大的冷凝與吸附工藝的理想方案。近年來，金屬有機框架（MOF）因其高度可設計的孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的分子篩分性能，被廣泛用于氣體分離膜的研究。然而，傳統(tǒng)的晶態(tài)MOF膜在制備過程中易形成晶界缺陷、結(jié)構(gòu)脆弱且可加工性差，難以工業(yè)化應用。MOF玻璃的出現(xiàn)為此帶來了希望——其兼具MOF的短程有序孔道與玻璃的連續(xù)相特性，具備優(yōu)異的膜成型性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。然而，現(xiàn)有MOF玻璃膜仍受限于孔道連通性不足、孔隙度偏低及易在高壓下塌陷，嚴重制約其在高壓碳捕獲場景（如煙氣減排、天然氣凈化）中的應用。

創(chuàng)新

近日，哈爾濱工業(yè)大學邵路團隊提出了一種受蜘蛛絲結(jié)構(gòu)啟發(fā)的“分子編織”策略，成功合成出一種新型聚合物編織MOF玻璃（pw-MOF）膜，在氣體分離性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性上實現(xiàn)雙重飛躍。

• 自然啟發(fā)的結(jié)構(gòu)理念：
  借鑒蜘蛛絲中剛性 β-晶域與柔性無定形鏈交織的結(jié)構(gòu)，研究者在MOF玻璃中引入線性聚合物鏈，通過分子層面的“交織”構(gòu)筑出剛?cè)峁泊娴娜S網(wǎng)絡。

• 納相界面演化：
  在熔融過程中，聚合物鏈不僅防止MOF晶格塌陷，還在MOF–聚合物界面形成納尺度相分離區(qū)，構(gòu)建出貫通的亞納米氣體通道與高密度極性吸附域。這一結(jié)構(gòu)使得CO?分子能夠快速擴散并被高效捕獲。

• 性能突破：
  得益于這種分子織造與界面演化協(xié)同機制，pw-MOF膜在CO?/N?體系中實現(xiàn)了1750 Barrer 的CO?滲透率與63的選擇性，同時展現(xiàn)出前所未有的耐壓性（7.5 atm）——遠超當前多數(shù)MOF膜在1 atm下即失效的水平。

這項工作不僅實現(xiàn)了MOF玻璃膜在高壓環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性與高選擇性傳質(zhì)性能的統(tǒng)一，更代表了一種全新的材料設計策略：

• 科學意義：首次將“分子編織”理念引入MOF玻璃體系，建立了剛性骨架–柔性鏈段協(xié)同構(gòu)筑的微觀調(diào)控模型，為理解有機–無機復合界面的結(jié)構(gòu)演化機制提供新視角。

• 技術(shù)意義：制備過程可熔融成膜、可擴展、無晶界缺陷，為工業(yè)化碳捕獲膜材料奠定工藝基礎。

• 應用前景：該材料在煙氣減排、天然氣提純、氫氣凈化等高壓分離場景中具有廣泛潛力，為低能耗、模塊化碳捕獲系統(tǒng)提供了可行路徑。

（來源：膜法筆記版權(quán)屬原作者 謹致謝意）