Science子刊 | MOF膜：打造天然气运输的高速公路！

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01 摘要

在基于金属有机框架（MOF）的混合基质膜（MMM）中实现渗滤途径而不影响其机械性能是具有挑战性的。开发相分离 (PS)-MMM，其具有跨整个膜的互连 MOF 结构域。通过将两种不混溶的聚酰亚胺分层，MOF 颗粒以超过 50 体积％的局部堆积密度选择性地分配到优选的聚合物域之一，从而形成仅 19 重量％ MOF 负载的渗透网络。这种PS-MMM的CO2渗透性是纯聚合物膜的6.6倍，而CO2/N2和CO2/CH4选择性基本保持不变。同时，得益于其独特的共连续形态，在相似的 MOF 负载量下，与传统 MMM 相比，PS-MMM 还表现出显着提高的膜延展性。PS-MMM 提供了一种实用的解决方案，可同时实现高膜渗透性和良好的机械性能。

02 精彩亮点

1. 新型的基于金属有机框架（MOF）的混合基质膜（MMM），通过两种不相容的聚酰亚胺的相分离，使MOF颗粒在其中一个优选的聚合物域中选择性地分配，形成了一个贯穿整个膜的连通的MOF域。

2. 这种相分离（PS）-MMM在只有19重量%的MOF负载时就实现了渗透网络，其CO2透过率是纯聚合物膜的6.6倍，而CO2/N2和CO2/CH4选择性基本保持不变。

3. 与传统的MMM相比，这种PS-MMM还因其独特的共连续形态而表现出显著改善的膜延展性。

4. PS-MMM为同时实现高膜透过率和良好机械性能提供了一种实用的解决方案。

01 摘要

在基于金属有机框架（MOF）的混合基质膜（MMM）中实现渗滤途径而不影响其机械性能是具有挑战性的。开发相分离 (PS)-MMM，其具有跨整个膜的互连 MOF 结构域。通过将两种不混溶的聚酰亚胺分层，MOF 颗粒以超过 50 体积％的局部堆积密度选择性地分配到优选的聚合物域之一，从而形成仅 19 重量％ MOF 负载的渗透网络。这种PS-MMM的CO2渗透性是纯聚合物膜的6.6倍，而CO2/N2和CO2/CH4选择性基本保持不变。同时，得益于其独特的共连续形态，在相似的 MOF 负载量下，与传统 MMM 相比，PS-MMM 还表现出显着提高的膜延展性。PS-MMM 提供了一种实用的解决方案，可同时实现高膜渗透性和良好的机械性能。

02 精彩亮点

1. 新型的基于金属有机框架（MOF）的混合基质膜（MMM），通过两种不相容的聚酰亚胺的相分离，使MOF颗粒在其中一个优选的聚合物域中选择性地分配，形成了一个贯穿整个膜的连通的MOF域。

2. 这种相分离（PS）-MMM在只有19重量%的MOF负载时就实现了渗透网络，其CO2透过率是纯聚合物膜的6.6倍，而CO2/N2和CO2/CH4选择性基本保持不变。

3. 与传统的MMM相比，这种PS-MMM还因其独特的共连续形态而表现出显著改善的膜延展性。

4. PS-MMM为同时实现高膜透过率和良好机械性能提供了一种实用的解决方案。

03 图文参考

04 总结

传统观点告诉我们，MMM 中 MOF 颗粒的聚集被认为是不受欢迎的事件。这是因为这种聚集通常是由 MOF-聚合物界面的不相容性驱动的，这将进一步导致界面缺陷和气体分离性能受损。然而，在这项工作中，我们证明了由聚酰亚胺共混物分层驱动的 MOF 颗粒的受控聚集不仅可以保留相容的 MOF-聚合物界面，而且还可以产生独特的共连续形态，聚合物和 MOF 域在整个膜中都显示出良好的连续性。通过微调MOF负载量、聚合物配比、聚合物组成、溶剂蒸发速率等各种参数，局部MOF堆积密度可高达53%（v/v），而平均颗粒间距集中在 20 nm 左右。随着MOF域之间的高度连续性，这些独特的形态特征有效地减少了MOF颗粒之间的聚合物势垒厚度，从而大大增加了CO22在 MOF 负载量仅为 19 wt% 的情况下，MMM 的渗透性达到纯聚合物膜的 6.6 倍。此外，得益于膜中存在的连续纯聚合物相，在相同 MOF 负载量下，PS-MMM 与传统 MMM 相比表现出更高的延展性。此功能对于在实际应用场景中部署 MMM 是必不可少的。假设 PS-MMM 至少包含三种成分，膜形态会受到许多相互交织的因素的影响。因此，未来的努力应该集中在微调膜形态并理解它们的结构-性能关系。我们相信这一发现将为气体分离MMM的合理设计开辟一条新途径。

05 参考文献

[1]D. S. Sholl, R. P. Lively,Seven chemical separations to change the world. Nature532,435–437 (2016).[2]P. Angelini, T. Armstrong, R. Counce, W. Griffith, T. LKlasson, G. Muralidharan, C. Narula, V. Sikka, G. Closset, G. Keller, Materials for separation technologies: Energy and emission reduction opportunities (DOE, 2005), p. 103.
[3]K. Sorschak, XEBEC Investor Presentation First Quarter 2017
[4]R. W. Baker, Membrane Technology and Applications (John Wiley & Sons, 2012).
[5]H. B. Park, J. Kamcev, L. M. Robeson, M. Elimelech, B. D. Freeman,Maximizing the right stuff: The trade-off between membrane permeability and selectivity. Science356,eaab0530 (2017).

* 文献资料 DOI: 10.1126/sciadv.adf5087