自支撑MOF膜和COF膜用于气体分离

分离是化工生产的关键技术之一，分离能耗占整个工业生产能耗的45-55%。膜分离技术作为高效节能的共性关键技术，有望大幅度降低分离过程能耗，为实现我国“碳达峰、碳中和”的战略目标提供坚实技术支撑。

金属有机框架（Metal-Organic Framework）和共价有机框架（Covalent-Organic Framework）晶态多孔材料具有规则的孔道结构和高比表面积，以及孔径和孔道表面易调节等特点。近年来，研究者们已经开发出多种方法获得连续的MOF和COF多晶分离膜材料。然而，大部分MOF和COF膜的生长和使用都需要依赖多孔载体的支撑，对载体的修饰过程不仅繁琐，同时也降低了分离膜的传质效率，MOF和COF膜的制备和应用受到载体性质的限制。理论上，自支撑膜可以消除载体的影响，是优化传质效率和研究膜分离传质的理想分离膜材料。因此，开发简单有效地制备方法，获得具有高效气体分离性能的自支撑MOF和COF分离膜研究具有重要意义。

受到氧化铝陶瓷膜的压制烧结工艺启发，吉林大学方千荣（点击查看介绍）课题组和中山大学薛铭（点击查看介绍）课题组通过新颖的无溶剂限域转化法和蒸汽诱导法，成功地制备出了一系列自支撑MOF和COF分离膜材料（图1）。得益于MOF和COF材料良好的孔道特点，以及自支撑膜中丰富的孔隙结构，所制备出的自支撑MOF和COF分离膜在氢气纯化和燃烧前二氧化碳捕获方面表现出优异的气体分离性能。

图1. （a）无溶剂限域转化法制备自支撑MOF膜示意图；（b）蒸汽诱导法制备自支撑COF膜示意图。

本工作中，作者通过简单的研磨—压片—热处理过程，成功制备出了三种自支撑MOF膜和两种自支撑COF膜（图2）。如图3所示，所得MOF膜和COF膜具有独特的微观结构，表层致密连续作为分离层，中间层含有丰富的孔隙结构，有利于气体传输。

图2. 三种自支撑MOF膜（ZIF-8/MAF-4; Zn(EtIm)₂; Zn₂(BIm)₄）和两种自支撑COF膜（N-COF; COF-300）的晶体结构和光学照片。

作者对所制备的自支撑膜进行了气体分离测试（图4）。致密的分离层保证了较高的气体选择性（H₂/CO₂选择性最高为~22.1），而含有大量不规则孔隙的中间层则有利于实现高气体渗透率（H₂渗透速率最高可达~6268.7 GPU），且在水蒸汽条件下仍能保持优异的气体分离性能。进一步，作者对该类自支撑膜的孔隙率和力学性能进行了测试分析，以及理论模拟计算解释其分离机理。

这两项工作为简便高效制备高性能的自支撑MOF、COF分离膜提供了新途径。相关研究成果近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces ^[1]和Advanced Functional Materials ^[2]上。文章的第一作者分别为吉林大学高壮壮博士和李宝举博士，通讯作者为吉林大学方千荣教授和中山大学薛铭教授、俞同文副教授。

该项研究得到了国家自然科学基金重大项目(22090061)和面上项目(22071076)的支持。

1. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Free-Standing Metal−Organic Framework Membranes Made by Solvent-Free Space-Confined Conversion for Efficient H₂/CO₂ Separation

Zhuangzhuang Gao, Baoju Li, Zhan Li, Tongwen Yu,* Shuchang Wang, Qianrong Fang, Shilun Qiu, and Ming Xue*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15, 19241-19249. DOI: 10.1021/acsami.3c02208

2. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Self-Standing Covalent Organic Framework Membranes for H₂/CO₂ Separation

Baoju Li, Zitao Wang, Zhuangzhuang Gao, Jinquan Suo, Ming Xue,* Yushan Yan, Valentin Valtchev, Shilun Qiu, and Qianrong Fang*

Adv. Funct. Mater., 2023, 33, 2300219. DOI: 10.1002/adfm.202300219

导师介绍

方千荣

https://www.x-mol.com/university/faculty/49549 

薛铭

https://www.x-mol.com/university/faculty/315223