北京工业大学安全福课题组《AFM》综述：‘缺陷工程’策略提升MOFs气体分离膜性能

气体分离在能源供应、环境保护和日常生活起着重要作用。目前，工业上主要的气体分离技术主要包括低温蒸馏和物理/化学吸收，它们存在设备运行成本高、分离过程能耗大和环境不友好等问题，加剧了能源消耗和温室效应等问题。膜气体分离技术具有能耗低、成本效益高和易于集成等优点，成为缓解能源和环境问题、推动低碳经济和社会发展的有效手段。

金属有机框架（MOFs）因其与气体分子具有相似尺寸的孔隙和可调功能化的孔隙结构，赋予其优异的气体筛分性能，被广泛用于构建MOFs基气体分离膜并取得了一定的进展。如我们课题组采用“受限溶胀-溶剂诱导晶化”策略，在聚合物基质中原位生长MOFs，利用MOFs的孔隙结构，为气体分子快速传质提供通道，实现了CO2渗透性能大幅提高（Ref: Small 9 (2023) 2208177）。然而，在亚埃米尺度优化MOFs的孔结构，提高膜的分离性能，仍面临巨大挑战。“缺陷工程”方法可对现有MOFs的孔径和孔隙结构进行精细化的调控，为制备高性能MOFs气体分离膜提供了可行性，成为当前气体分离膜的新兴领域。

近期，北京工业大学安全福教授膜课题组，针对“缺陷工程”方法制备高性能MOFs气体分离膜发表了最新展望性文章，讨论了通过“缺陷工程”调控MOFs的结构来实现MOFs基气体分离膜性能的提升。首先，文章系统地介绍了缺陷MOFs的制备和表征方法，并提出缺陷的存在对MOFs结构的影响。然后，通过对膜分离机理的讨论，强调了MOFs框架中的缺陷在膜分离过程中的贡献，包括提高与气体分子之间相互作用力（不饱和配位的活性金属位点）和降低扩散阻力（扩增孔径）。最后，文章展望了基于缺陷MOFs的气体分离膜的未来发展方向。该综述以“Defect engineering of MOF-based membrane for gas separation”为题在线发表在Advanced Functional Materials上。博士生李硕为第一作者，殷明杰副教授与悉尼大学Kentye Yong教授为共同通讯作者。

图1 缺陷MOFs的设计策略、结构特点、气体分离膜的应用

一、缺陷MOFs的制备

通过控制合成条件，可以有针对性的合成缺陷MOFs，其合成方法大致可分为两类：原位合成和合成后修饰（图二）。大量的研究显示，微结构的变化会影响MOFs材料的性质，如孔径、孔隙率和BET比表面积等。

图2 缺陷MOFs的主要合成方法

二、缺陷MOFs的表征

缺陷的表征对了解MOFs框架的微观结构、指导缺陷MOFs的设计和可控合成以及分析膜分离性能变化至关重要。论文总结了各种缺陷MOF的表征方法，对缺陷结构定性和量化，如PXRD、TGA、BET、PALS等。

图3 缺陷MOFs的表征

三、缺陷MOFs在气体分离膜中的应用

根据膜成分的不同，将缺陷MOFs膜分成：纯缺陷MOFs膜和缺陷MOFs基混合基质膜。总结了缺陷MOFs基气体分离膜的最新进展，并强调了晶内缺陷在分离过程中的作用。

图4 缺陷MOFs用于膜法气体分离

总结与展望

缺陷MOFs基分离膜的是一个很有前景的领域，在提高气体分离性能方面具有巨大的潜力，但需要更多的研究来扩展缺陷MOFs的类型，优化设计和合成策略，并推进表征技术，以了解其对气体传质过程的影响，最终实现MOFs基分离膜的实际应用。

文献链接：

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202208177

2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202303447

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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