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03
2026
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03
JACS: 可编程孔环境, 多变量ZIF膜实现天然气中氦气超高选择性回收
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一、背景：氦气回收为何如此困难？
氦气（He）是医疗影像、半导体制造与超导技术的关键战略资源，但其在天然气中的含量通常仅约0.1–1%。目前工业上主要依赖低温深冷分离与变压吸附技术进行提取，不仅能耗高、设备投资大，还导致供应链高度集中、价格波动频繁。膜分离技术被认为是更节能、低碳、可模块化的替代路径。然而，氦气与天然气主成分甲烷（CH₄）的分离*具挑战：He动力学直径*小（2.6 Å），要求孔径达到亚埃级**控制；He极性弱，与材料框架相互作用*低，难以“被选择”；一旦存在缺陷或孔径略大，CH₄易泄漏，选择性迅速下降。因此，实现工业级He/CH₄高选择性（>1000）且在真实混合气条件下稳定运行，成为膜材料领域的关键难题。
二、创新：多变量ZIF实现孔微环境“编程设计”
近日，苏州大学靳健教授团队提出了一种多变量ZIF（MTV-ZIF）孔微环境编程策略，通过精确调控配体组合，在分子尺度实现孔径与主客体相互作用的协同优化。
核心创新体现在三个方面：
1. 多配体协同构筑“可编程孔环境”
通过在同一ZIF框架中引入：
Zn²⁺金属节点
2-甲基咪唑
卤素取代苯并咪唑配体
构建多变量结构，实现对孔径尺寸与孔壁化学环境的精细调控。
2. 双重机制提升He/CH₄分离性能
空间位阻效应：卤素取代基收缩孔窗尺寸，提高CH₄扩散能垒；
增强CH₄–框架相互作用：提升CH₄滞留效应，进一步抑制其传输；
与此同时，He因尺寸更小且相互作用弱，仍可快速穿透，实现“选择性抑制CH₄”的分离策略。
3. 创纪录的工业相关性能表现
在模拟工业进料（0.6% He / 99.4% CH₄）条件下：
He/CH₄选择性达到 3174（创纪录水平）
连续稳定运行 960 小时
两级膜级联模拟可实现 >99.95% He纯度
能耗相比深冷分离降低 83%
三、意义：为低能耗氦气回收建立新平台
这项工作不仅提升了分离性能，更在设计理念上具有重要突破。
1. 打破传统“单一孔径设计”模式
通过多变量MOF实现孔环境编程，将孔径与主客体作用协同调控，提供更精细的分离控制手段。
2. 推动氦气低碳回收技术升级
为替代高能耗深冷工艺提供现实可行路径，显著降低能源消耗与碳排放。
3. 建立可推广的MOF膜设计策略
“多配体孔环境编程”策略可推广至H₂纯化、CO₂捕集、烯烃/烷烃分离等其他关键气体分离领域。
4. 强化膜技术在战略资源回收中的地位
为未来分布式、小规模、模块化氦气回收系统提供材料基础。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/gzhLWkbgpeSYYTpGj4cJTA
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