近日，国际顶级学术期刊《自然》（Nature）在线发表了题为“Scalable quasi-pure MOF membranes for energy-efficient gas separations”（《面向节能气体分离的可规模化准纯MOF膜》）的研究论文。重庆交通大学材料科学与工程学院青年教师樊冬博士为论文共同第一作者，这是学校建校以来首次在Nature上发表学术论文，标志着学校基础研究水平迈上了历史性新台阶。

文章信息（学校供图）

气体分离是现代化学工业中不可或缺的关键环节，广泛涉及烯烃/烷烃分离、碳捕集和氢气纯化等核心过程。长期以来，工业界主要依赖低温精馏技术实现气体混合物的分离，但该过程能耗极高。据估算，全球约10%—15%的能源消耗与工业分离过程相关。膜分离技术因其能效高、操作简便等优势被视为变革性替代方案，然而现有聚合物膜分离性能不足，而纯金属有机框架（MOF）膜虽性能优异，却长期受制于规模化制备的巨大挑战。如何在保持MOF本征优异分离性能的同时实现膜材料的规模化、可控制备，是制约该领域产业化进程的核心科学问题。

针对上述挑战，研究团队提出了一种全新的“融合相方法”（merged-phase approach），设计了将MOF晶体扁平化为纳米片、再通过分子锚（molecular anchors）将聚合物链动态锚定于MOF表面的创新策略，使MOF与聚合物融合为单一伪连续相。这一方法成功打破了传统混合基质膜中填料含量不超过50-60wt%的流变学极限，实现了MOF体积分数高达92%的“准纯MOF膜”（quasi-pure MOF membrane）的可溶液加工制备。

MOF固体的扁平化设计及气体分离性能（学校供图）

研究团队选取了三种具有代表性的基准MOF材料——ZIF-67、CALF-20和CuBDC，验证了该方法的普适性。其中，准纯（110）取向ZIF-67膜在丙烯/丙烷（C3H6/C3H8）分离中展现出约100的选择性和约160barrer的丙烯渗透率，性能媲美纯MOF膜，远超传统聚合物膜和混合基质膜。在碳捕集应用中，准纯CALF-20膜实现了CO2/CH4选择性约110、CO2渗透率高达6750barrer的优异性能；在氢气纯化中，准纯CuBDC膜的H2/CH4选择性达110。

通过原子尺度分子模拟和界面孔网络图论分析，研究团队揭示了准纯MOF膜独特的分子输运机制：致密的MOF-聚合物界面形成的高度曲折孔网络对丙烷分子产生强烈的动力学限制，而丙烯分子则可顺利穿过MOF孔道，从而实现了精准的分子筛分。该膜还展现出优异的抗塑化性能和类似贝壳珍珠层的“砖－泥”结构所带来的卓越机械柔性，可承受多次180度弯折而不损失分离性能。

重庆交通大学材料科学与工程学院樊冬博士作为论文共同第一作者，与法国蒙彼利埃大学Alejandro Diaz-Marquez博士、Guillaume Maurin教授合作，负责完成了本研究中关键的分子模拟工作。研究团队采用密度泛函理论计算、分子动力学模拟、图论分析等多尺度计算手段，系统揭示了分子锚与MOF表面的结合机理、MOF-聚合物界面孔网络的拓扑结构，以及丙烯/丙烷分子在准纯膜界面区域的差异输运行为。这些计算模拟工作为准纯MOF膜的理性设计提供了关键理论支撑，深刻阐明了“为什么准纯膜能实现精准分子筛分”这一核心科学问题。

本论文汇聚了来自中国、法国、沙特阿拉伯三国顶尖科研力量。通讯作者包括香港科技大学（广州）周胜教授、阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Mohamed Eddaoudi教授、清华大学王海辉教授、华南理工大学韩宇教授，以及法国蒙彼利埃大学Guillaume Maurin教授。Guillaume Maurin教授是重庆交通大学引智计划专家，长期与学校材料学科保持密切合作，此次合作成果的发表也是学校引智工作成效的有力体现。（来源：重庆交通大学材料科学与工程学院）

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