可规模化制备的准纯金属有机框架膜用于高能效气体分离

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摘要
香港科技大学（广州）周胜教授、阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)Mohamed Eddaoudi、清华大学王海辉教授、华南理工大学韩宇教授及蒙彼利埃大学(ICGM )Guillaume Maurin联合团队在顶级期刊《Nature》（15 July 2026，DOI：10.1038/s41586-026-10655-9）上发表的研究中，针对纯MOF膜难放大的痛点，提出“合并相”策略，制备MOF体积分数>90%的准纯MOF膜。该策略赋予MOF聚合物表面性质，实现极高浓度下的流变控制。ZIF-67膜在工业卷对卷设备连续制造，丙烯/丙烷分离渗透率达160 barrer，选择性约100，成本降80%，弥合了晶体膜性能与可扩展性间的鸿沟。

研究背景
1. 行业问题：
化工气体分离依赖高能耗低温蒸馏。聚合物膜易放大但性能不达标；纯MOF膜选择性优异，但结晶敏感，极难无缺陷工业化放大。
2. 现有方案：
学者开发混合基质膜并提高填料负载，但发挥MOF潜力需将聚合物体积降至10%以下。此极端浓度下传统溶液加工会导致严重团聚，无法成膜。
3. 本文创新：
提出“合并相”方法，将MOF与聚合物融合为单一伪连续相，赋予MOF聚合物表面特性，打破高浓度团聚限制，实现>90 vol%准纯MOF膜溶液加工与卷对卷制造。

实验部分
1. 准纯膜加工：
采用合并相策略处理ZIF-67、CALF-20和CuBDC，与微量聚合物融合，抑制极高浓度下的团聚，形成流变可控絮凝网络，制备出MOF体积>90%的准纯膜。
2. 卷对卷制造：
在工业环境中，利用溶液加工技术实现(110)取向ZIF-67准纯膜连续卷对卷生产，突破实验室小面积制备瓶颈。
3. 分离评估：
将准纯膜用于丙烯/丙烷、碳捕获等分离，技术经济分析显示纯化成本较蒸馏大幅降低。

分析测试
1. 结构形貌：
SEM和TEM证实准纯膜MOF负载极高（>90 vol%）且无团聚缺陷；XRD表明ZIF-67膜具高度(110)择优取向，揭示合并相对晶体生长的调控。
2. 孔隙吸附：
气体吸附表明准纯膜保留MOF本征孔隙。ZIF-67准纯膜BET比表面积高达约1600 m²/g，微孔孔径约3.4 Å，孔隙率远超传统混合基质膜，证明极低聚合物未堵塞孔道。
3. 渗透分离：
准纯ZIF-67膜C3H6渗透率约160 barrer，C3H6/C3H8混合气选择性约100。该数值远超传统聚合物膜，完美继承纯MOF分子筛分特性，达聚合级丙烯标准。

机理分析
1. 组装机理：
核心是将MOF和聚合物融合成单一伪连续相。微量聚合物包裹MOF表面，赋予其类似聚合物的空间位阻，在极高浓度下通过流变控制形成稳定絮凝网络，解决团聚难题。
2. 分离机理：
(110)取向ZIF-67准纯膜孔道排列规整，结合>90%的MOF体积分数，消除聚合物相传质阻力，使气体完全依赖MOF本征孔径（3.4 Å）进行精准尺寸筛分。

总结
本文提出“合并相”策略，制备MOF体积>90%的准纯MOF膜，解决高浓度溶液加工团聚难题。该工作实现ZIF-67等膜的工业级卷对卷制造，在丙烯/丙烷分离中展现卓越性能（160 barrer渗透率，100选择性），大幅降低成本，弥合了晶体膜可扩展性鸿沟。

文章标题：Scalable quasi-pure MOF membranes for energy-efficient gas separations
作者：Shizheng Song, Dong Fan, Xilin Jia, Zhe Zhou, Alejandro Diaz-Marquez, Zhihao Liu, Lingzhi Huang, Shuo Liu, He Wen, Yanjie Wang, Dahua Yao, Guillaume Maurin, Yu Han, Haihui Wang, Mohamed Eddaoudi & Sheng Zhou
DOI：10.1038/s41586-026-10655-9
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10655-9

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港科大广州周胜、清华王海辉等团队在《Nature》发文，提出“合并相”策略制备MOF体积分数>90%的准纯MOF膜，实现工业级卷对卷连续制造，丙烯/丙烷分离选择性达100，成本降低80%。