德國應用化學：制備出高選擇性“零維”分子篩膜

　　 用一把“篩子”將大小各異的物質分離開，通過這個思想，科學家研發出各式各樣的分子篩膜。但“篩孔”的大小并不好控制，一張膜上的篩孔或大或小，讓不少分子成為“漏網之魚”，分子篩膜的選擇性大大降低。

　　近日，中科院大連化學物理研究所研究員楊維慎、副研究員班宇杰團隊提出以簡單“零維分子”——2—甲基咪唑為基元構筑高選擇性分子篩膜。這種“零維”概念的分子篩膜，實現了氫氣（H2）/二氧化碳（CO2）分子的有效分離。該“零維”分子篩膜為獲取高純H2及捕獲CO2提供了潛在實現路徑。這項研究成果發表于《德國應用化學》。

　　分子篩膜的孔結構就像篩子一樣，可實現分子傳輸分離，在高效、低能耗化工分離領域發揮著重要作用。目前，經典分子篩膜一般由沸石、金屬—有機框架等納米孔材料制備得到，主要以三維微米晶粒或二維納米片為構筑基元。

　　班宇杰介紹，傳統三維、二維基元間往往是“弱連接”，“貌合”卻“神離”，導致基元之間“漸生嫌隙”，這就是所謂的晶間缺陷。缺陷多了，一些本該被截留的分子就會“趁虛而入”，膜的選擇性大打折扣。

　　研發新型膜材料，提高分子篩膜的分離性能是團隊的長期攻關目標。2018年，團隊成員計劃以2—甲基咪唑為配體來合成金屬—有機框架材料（MOF），卻意外發現，這種沒有任何分離性質的簡單有機分子，可以在一種活性基層上組裝成膜，并展現出優異的分離效果。這令團隊驚奇。

　　H2的分子直徑0.289納米，CO20.33納米，“這意味著，實驗過程中產生了一種孔道直徑介于兩者之間，具有強篩分效果的新型分離膜。”班宇杰說。

　　這種分子篩膜是什么，又是如何形成的？“復盤”如火如荼。歷時兩年，研究人員解開謎團，發現一般喜好吸附有機分子，表面留有配位不飽和金屬離子的MOF，對有機化合物2—甲基咪唑拋出橄欖枝，誘導其蒸氣分子在表面定向“著陸”和有序組裝，從而形成高度取向的超分子陣列膜（SAM）。SAM的埃米級分子間隔約0.3納米，能夠精確篩分具有微小尺寸差異的H2/CO2分子。

　　據介紹，相比經典分子篩膜，SAM的提出有兩點重要突破，其一，此次構筑基元是零維分子級別，憑借超分子相互作用有序聚集，可全面消除經典分子篩膜晶間缺陷；其二，經典分子篩膜借助材料本征納米孔篩分不同物質，SAM則利用有效分子間隔實現分離。與目前性能最優的分子篩膜相比，H2/CO2分離選擇性提高了一個數量級。

　　《德國應用化學》編輯稱，“同行評議一致認為該研究所報道的結果很重要甚至非常重要”“僅有不到10%的論文可獲得如此積極的評價”。

　　楊維慎表示，SAM的優異性能表明，以簡單“零維分子”直接作為基元構筑新一代分子篩膜具有可行性，該理念變革了傳統分子篩膜的構筑基元類型、微觀堆砌模式和分離傳輸通道。下一步，團隊將在控制基元間隔、調控組裝過程、發展多種類型膜材料等方面努力，讓零維分子篩膜盡快實現多元化分離。