中山大學薛銘課題組《Adv. Mater.》：配位聚合物玻璃密封實現無缺陷MOF分離膜

在化工分離、能源凈化和高純物質制備等領域，分子篩分膜技術因其低能耗、高效率等優勢備受關注。然而，傳統聚合物膜易發生溶脹和孔塌陷，晶態多孔膜雖具有規整孔道，卻因晶界缺陷和合成復雜性難以實現大規模制備。因此，如何將精準孔隙與聚合物級加工相結合，且具有優異的化學、機械和熱穩定性的分離膜材料制備仍是挑戰。

針對以上科學與技術問題，中山大學薛銘教授課題組提出了創新的配位聚合物玻璃（Coordination Polymer Glass, CP）聯合多孔配位聚合物材料（Porous Coordination Polymer, or Metal-organic framework, MOF）的策略，利用有序且孔徑可調的MOF單元作為高效傳質通道，CP玻璃封堵晶間缺陷，采用熔融淬火法成功制備出一系列無缺陷且可自修復的高效分子篩復合膜（GUM），實現了在有機溶劑納濾、同分異構體滲透汽化和氣體分離等化工重要分離領域的精準分離。該研究成果發表于Advanced Materials期刊，論文通訊作者是中山大學化學工程與技術學院薛銘教授、李意副教授，第一作者為陳鎮博士。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202512654

圖1. GUM復合膜的設計與制備示意圖。

研究團隊以三種不同金屬中心（Zr、Al、Zn）和拓撲結構的MOF為主體，通過熔融淬火法將非晶態CP玻璃與MOF復合，形成致密無缺陷的分離層。這些 GUM 膜具有緊密堆積的MOF結構，可建立有效的選擇性通道來控制分子傳輸。與MOF相統一的橡膠態 CP 玻璃消除了膜內的非選擇性缺陷或裂紋，從而利用MOF的精準分子篩分實現高分離選擇性，甚至可以通過簡單加熱修復損傷裂紋。GUM 膜內的MOF具有高密度孔隙和低曲折度，是超快速分離的理想選擇。進一步研究了配體缺失（前處理）或配體交換（后處理）的孔道精準調控，展示了GUM膜的預/后修飾優勢，顯著提高了膜的滲透性和選擇性。基于豐富的MOFs材料庫，該研究為設計適用于不同化工分離場景的分離膜材料提供了可行的策略。

圖2. 三種GUM復合膜（Zr-GUM、Al-GUM、Zn-GUM）的結構與形貌表征。

有機溶劑納濾中，Zr-GUM膜表現出優異的耐溶劑性和高溫穩定性，在140℃的DMF中對酸性品紅的截留率達到99.6%，滲透率高達15.6 L·m?2·h?1·bar?1，優于多數現有膜材料。通過前處理調控，Zr(D)-GUM膜的

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圖3. Zr-GUM膜在有機溶劑納濾中的性能。

在C8二甲苯同分異構體分離中，Al-GUM膜憑借其特有的正弦孔道結構，實現對二甲苯的高選擇性吸附與擴散，滲透汽化分離系數達44.8，通量為390 g·m ?2·h ?1 ，優于多數無機沸石和有機聚合物膜。

圖4. Al-GUM膜在異構體滲透汽化中的性能。

在氣體分離中，Zn-GUM膜表現出優異的H2/CO2選擇性（201.6）和H2滲透性（635 GPU），這歸因于Zn-MOF在準垂直排列和受限通道性。MOF材料具可調控的表面化學性質，基于這一特性可以在GUM復合膜中通過靶向后修飾來精確控制孔結構（窗口幾何形狀、通道尺寸、功能基團），以實現孔道精準調控，從而優化分離性能。經后修飾改性， H2/CO2 選擇性進一步提升至285.7，顯示了該類GUM復合膜的優勢。

圖5. Zn-GUM膜在氣體分離中的性能及自修復過程。

值得一提的是，CP玻璃的熔融特性賦予GUM復合膜出色的自修復能力。膜在受損后可通過簡單加熱實現裂紋閉合，分離性能恢復，具備良好的循環使用性和機械加工性能。該特性提升了膜材料在實際操作中的可靠性和使用壽命。

該研究工作，通過熔融淬火策略成功制備了一系列具有無缺陷、可調孔道、自修復等多功能特性的GUM復合膜，實現了從液體到氣體多種化工分離場景下的高效、穩定分子篩分。該策略材料適用性廣、工藝簡便、性能優異，為高性能分離膜的設計與制備提供了新思路，具備重要的科學價值和潛在的工業應用前景。

研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省科學技術廳、珠海市科技計劃、中山大學基礎科研專項基金等項目的資助以及珠海市光電功能材料與膜技術重點實驗室的支持。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持