JACS：分子編織工程構建具有優異耐壓性能的聚合物-MOF玻璃膜用于碳捕集

本研究受蜘蛛絲蛋白分子編織結構啟發，報道了一種分子編織工程策略，將聚酰亞胺（PI）鏈原位編織于ZIF-62框架中，經熔融-淬火轉化制備出聚合物編織MOF玻璃膜（pw-MOF）。熔融過程中，編織聚合物有效抑制晶格變形，同時誘發納米相界面分離（Nano-IS），精準調控了膜的動力學傳質效率與熱力學極性吸附效應。

內容速覽1、研究背景與核心問題

金屬有機框架（MOF）玻璃膜是理想的節能碳捕集材料，但現有技術存在三大瓶頸：

孔道連通性差、孔隙率不足。

機械強度低，在 >1 atm壓力下結構易坍塌。

制約了其在煙氣脫碳、天然氣純化等場景的實際應用。

2、創新策略：分子編織工程

受蜘蛛絲蛋白（剛性β-晶區與柔性無定形鏈納米級編織）啟發，開發聚合物編織MOF玻璃膜（pw-MOF）：

• 選材：ZIF-62（含少量大配體BIm）作為剛性骨架，Matrimid-5218聚酰亞胺（PI）作為編織聚合物

• 合成：通過原位溶劑熱反應（130°C, 4天），使PI鏈貫穿MOF孔道，形成編織復合晶體，再經熔融-淬火（370-410°C）轉化為玻璃膜

（1）氣體分離性能卓越（35°C測試）： CO?滲透率：1750 Barrer（達MOF玻璃的11.9倍）選擇性：CO?/N? = 63，CO?/CH? = 52性能超越2019年Robeson上限，創MOF玻璃膜新紀錄 （2）史無前例的耐壓性： 可在高達7.5 atm壓力下穩定運行，傳統MOF膜在1 atm即失效500小時長期穩定性測試性能無衰減 （3）機械性能飛躍： 楊氏模量和硬度分別提升2.5倍和2.1倍變形深度降低87.5%，斷裂韌性顯著增強

熔融過程中，MOF-聚合物界面化學鍵斷裂，引發獨特演化：

• 結構保留：編織聚合物抑制晶格變形，保留更多短程有序單元（缺陷含量70% vs MOF玻璃的40%）

• 通道構筑：生成連續亞納米級氣體傳輸通道（類似葉脈網絡），孔徑分布更窄（自由體積半徑0.28 nm）

• 極性強化：界面斷裂產生不飽和Zn/N缺陷位點，形成高密度極性吸附域，CO?吸附量提升50%

• 分離機制：以吸附選擇性為主（溶解度選擇性 > 擴散選擇性），協同分子篩分效應

• 高負載量：實現83.5 wt% MOF填充，避免傳統混合基質膜（MMM）的界面缺陷

• 模塊化設計：可拓展至其他MOF（如ZIF-8）和聚合物（如P84、PBI），需滿足溶解性、化學作用力和電荷互補三原則

• 應用前景：適用于小規模工業污染源、緊湊型廢氣處理等受限空間的高效碳捕集

結論：該研究通過分子編織策略，同步解決了MOF玻璃膜的機械脆弱性與傳輸性能瓶頸，為下一代可持續分離材料建立了通用設計平臺。

DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.5c17503

（來源：有機配體和熒光染料最新研究版權屬原作者 謹致謝意）