在石油化工與精細(xì)化工領(lǐng)域，芳香烴化合物的高效分離是關(guān)乎產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)。這類分子尺寸差異小，化學(xué)性質(zhì)相似，分離能耗大。膜分離技術(shù)雖憑借低能耗優(yōu)勢(shì)被寄予厚望，卻長(zhǎng)期受困于材料設(shè)計(jì)的根本性瓶頸：滲透性與選擇性間的權(quán)衡關(guān)系。這一矛盾被學(xué)界稱為“Robeson上限”，開發(fā)兼具原子級(jí)篩分精度與分子級(jí)傳輸效率的新型膜分離材料，是實(shí)現(xiàn)化工分離綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵科學(xué)問題。

為了解決這一問題，中山大學(xué)薛銘教授研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合重慶大學(xué)劉玲梅教授團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性地通過數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與可控制備，成功開發(fā)出具有獨(dú)特“寬窄巷子”微結(jié)構(gòu)的新型多變量金屬有機(jī)框架（MTV-MOF）中空纖維膜，以實(shí)現(xiàn)高通量化工膜分離過程調(diào)控。相關(guān)工作以“Multivariate MOF Hollow Fiber Membranes with Precision-Tuned Subnanometer Channels toward Aromatic Hydrocarbon Separation”發(fā)表在《Angew》上。

圖1. 組合多元配體構(gòu)建MTV-MOF中空纖維膜

【MTV-MOF中空纖維膜的孔道設(shè)計(jì)】

研究團(tuán)隊(duì)將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于膜材料原子尺度設(shè)計(jì)，通過精確調(diào)控不同功能化配體在膜層間的空間分布，以及在微結(jié)構(gòu)骨架中的相對(duì)比例，成功構(gòu)筑了具有局部限制性傳輸通道的周期性交替結(jié)構(gòu)。其中，狹窄的局部限制性通道提供精確的分子尺寸篩分功能，確保高選擇性，而相鄰的寬闊通道則顯著降低了小分子的傳輸阻力，大幅提升膜滲透通量。這種協(xié)同效應(yīng)通過密度泛函理論計(jì)算與分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)行了系統(tǒng)闡釋和驗(yàn)證。

圖2. MTV-MOF中空纖維膜通道精確控制的示意圖以及數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)合成

圖3. MTV-MOF中空纖維膜的形貌和吸附性能研究

【MTV-MOF中空纖維膜的性能】

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多變量配體策略使得膜的有效篩分孔徑在亞納米尺度上實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，該類MTV-MOF中空纖維膜在分離甲苯與間二甲苯時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異性能：分離因子高達(dá)234.3，同時(shí)甲苯滲透通量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的19,511.1 Barrer，成功突破了膜材料的分離性能極限。

進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)展示了該類MTV-MOF中空纖維膜的實(shí)際應(yīng)用潛力。構(gòu)建了多級(jí)膜分離過程，利用不同孔徑的MTV-MOF膜串聯(lián)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜混合物（甲苯、二甲苯、三甲苯）的高效一步分離，凸顯了分離膜材料在復(fù)雜化工分離體系中的潛在應(yīng)用價(jià)值。

圖4. 局部限制性孔道的探究及膜分離性能研究

圖5. 多級(jí)聯(lián)分離示意圖及分離性能

總結(jié)：該研究創(chuàng)制的具有交替寬窄通道結(jié)構(gòu)的分離膜，為解決膜分離領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的滲透-選擇性權(quán)衡難題提供了科學(xué)方案。所發(fā)展的多變量配體調(diào)控策略與交替通道設(shè)計(jì)理念，為高性能分離膜開發(fā)開辟了新途徑，其數(shù)學(xué)建模指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)的方法論對(duì)功能材料的理性創(chuàng)制具有普適意義。

相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的通訊作者是中山大學(xué)薛銘教授、李意副教授與重慶大學(xué)劉玲梅教授,第一作者是中山大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院博士研究生陳鎮(zhèn)。

原文連接：https://doi.org/10.1002/anie.202508510

文章中 氣體吸附測(cè)試數(shù)據(jù)	測(cè)試內(nèi)容	可參考儀器
	甲苯/間二甲苯 吸附動(dòng)力學(xué) 曲線測(cè)試	BSD-VVS&DVS  多站重量法 氣體蒸氣吸附儀
	甲苯/間二甲苯 的吸附等溫線 測(cè)試
	77K N2 吸附 比表面積 及孔徑分析 （靜態(tài)容量法）	BSD-660系列 全自動(dòng)高通量 高性能氣體吸附 及微孔分析儀
	甲苯/間二甲苯 混合氣體的 分離性能測(cè)試	多組分競(jìng)爭(zhēng)吸附 穿透曲線及 氣體分離膜分析儀