在MOF中构建分子风扇以克服扩散阻力实现痕量苯捕获

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摘要
浙江大学环境与资源学院邬文浩老师团队在Nature Communications的研究中，在稳定的铁基金属有机框架ZJU-701中构建以1,4-萘基为转子的分子风扇。
1. 该材料具有分级微孔结构（5.8±0.9、10.2±2.3和21.2±1.4 Å），在P/P₀=0.001、298 K条件下苯吸附容量达2.05 mmol/g，吸附速率常数为5.84×10⁻³ min⁻¹，超越现有基准吸附剂。
2. 尤为突出的是，当气流速度从0.03增至0.12 m·s⁻¹时，ZJU-701动态吸附容量仅损失10.1%，远低于其他基准材料（30.6%~76.9%）。

研究背景
1. 行业问题：
苯是常见的工业废气和voc组成。分子尺寸匹配孔道虽能提供强吸附位点，但不可避免地因空间位阻和共存气体拥堵导致扩散阻力大、吸附速率慢，在快速气流条件下动态吸附容量急剧下降，严重制约实际应用。
2. 现有方案：
学者通过设计孔径接近苯动力学直径（5.80 Å）的MOFs（如ZJU-520、ZJU-620、BUT-55、PCN-250、MIL-125-Zn、MFM-300等）刷新平衡吸附容量记录，但均未解决扩散阻力导致的速率瓶颈。
3. 本文创新：
受分子机器启发，首次提出在分子尺寸匹配孔道中构建分子风扇的策略，利用可旋转1,4-萘基作为转子，由载气驱动旋转加速苯分子扩散，同时实现高平衡吸附容量与快速吸附速率。

实验部分
1. 材料合成与结构解析：
合成铁基MOF ZJU-701，通过单晶X射线衍射确定其具有分级微孔结构（5.8±0.9、10.2±2.3和21.2±1.4 Å），孔道间以含可旋转1,4-萘基的有机配体连接，形成分子风扇。
2. 平衡吸附实验：
298 K、P/P₀=0.001条件下，ZJU-701对苯的吸附容量达2.05 mmol/g，吸附速率常数为5.84×10⁻³ min⁻¹，均优于已报道的基准吸附剂。
3. 动态穿透实验：
在气流速度从0.03增至0.12 m·s⁻¹的条件下，ZJU-701动态吸附容量仅损失10.1%，而ZJU-520、MIL-125-Zn等基准材料损失30.6%~76.9%，证实分子风扇有效克服了扩散阻力。

分析测试
1. 孔隙结构表征：
N₂吸附和孔径分布分析证实ZJU-701具有三级分级微孔（5.8±0.9、10.2±2.3和21.2±1.4 Å），5.8 Å孔道与苯分子动力学直径精确匹配，提供强吸附位点。
2. 原位红外/拉曼光谱：
在苯吸附过程中原位监测，观察到1,4-萘基转子发生旋转运动的特征峰变化，直接证实分子风扇在载气驱动下发生旋转。
3. 固态核磁共振（ssNMR）：
通过变温或动态NMR实验，进一步验证了1,4-萘基在孔道中的旋转运动行为，与原位光谱结果相互印证。
4. 稳定性测试：
ZJU-701在吸附-脱附循环及不同湿度条件下保持结构稳定，证实铁基框架的化学稳定性满足实际应用需求。

机理分析
作者通过原位红外/拉曼光谱和固态NMR证实，载气（空气、N₂）流经孔道时驱动1,4-萘基转子旋转，产生类似风扇的"泵送"效应，将苯分子从大孔道快速输送至分子尺寸匹配的微孔吸附位点，从而在不牺牲平衡吸附容量的前提下大幅提升吸附速率。分级微孔结构（大孔为传输通道、小孔为吸附位点）与分子风扇协同作用，实现了吸附容量与速率的双重优化。

总结
本文首次提出在分子尺寸匹配孔道中构建分子风扇的动态孔工程策略，通过ZJU-701中可旋转1,4-萘基的"泵送"效应，成功克服扩散阻力，实现了痕量苯的高容量与快速吸附兼得，在快速气流条件下动态性能远超现有材料，为痕量污染物高效捕获开辟了新方向。

文章标题：Construction of molecular fans in metal-organic framework to overcome diffusion resistance for trace benzene capture
文章作者：Zhaowei Huang, Xi Yang, Yi Luan, Yuanbo He, Xiaotong Yun, Daohui Lin, Kun Yang & Wenhao Wu
DOI：10.1038/s41467-026-77361-y
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-77361-y

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浙江大学邬文浩老师团队在Nature Communications报道了铁基MOF ZJU-701，首次在分子尺寸匹配孔道中构建1,4-萘基分子风扇，利用载气驱动转子旋转加速苯扩散，动态吸附容量损失仅10.1%，远优于现有材料，为痕量苯高效捕获提供新策略。