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13
2026
-
03
Angew: 利用氨气调控MOF膜孔结构实现氢气分离
作者：
一、背景：氢能时代下的分离挑战
在“氢能经济”快速发展的背景下，氢气被视为实现低碳能源体系的关键载体。其中，氨裂解制氢因其高储运便利性而备受关注。然而，在裂解过程中不可避免地产生H₂、N₂及痕量NH₃混合气体。残余氨气具有强腐蚀性和毒性：会损伤下游燃料电池，加速分离材料老化，降低氢气纯度。因此，在实际工业流程中，氨气通常被视为必须去除的“有害杂质”。与此同时，金属–有机框架（MOF）膜，尤其是ZIF-8膜，因其：规则晶体孔道，接近3.4 Å的孔径，潜在分子筛分能力。成为氢气分离的重要候选材料。然而，ZIF-8具有“柔性呼吸”特征，其框架可发生动态张开，导致：有效孔径波动，筛分精度下降，H₂/N₂选择性受限。如何**调控MOF膜孔结构和柔性，是提升氢气分离性能的关键难题。
二、创新：将氨气转化为“结构调控剂”
近日，韩国延世大学Dae Woo Kim教授团队提出了一种反常规思路：不将氨气视为污染物，而是作为孔结构调控剂加以利用。当ZIF-8膜暴露于氨气时：
表面发生部分非晶化
NH₃分子（~2.6 Å）可与Zn²⁺位点发生Lewis酸碱作用，导致表层金属–配体键部分破坏。
邻近区域结构刚化
氨分子与Zn–N配位环境相互作用，抑制框架“呼吸效应”，降低孔径波动。
形成分层结构
外层：部分无定形
中间层：刚化区域
内层：保持原有柔性结构
这种“局部刚化”使ZIF-8由柔性筛分模式转变为更接近本征刚性孔径筛分模式。最终实现优异性能：H₂渗透率：1.26 × 10⁻⁷ mol·m⁻²·Pa⁻¹·s⁻¹，H₂/N₂理想选择性：122.39。分子动力学模拟进一步揭示：NH₃与框架的配位调控机制和柔性变化对扩散路径的影响，实现了从分子尺度到膜性能的机制闭环解释。
三、意义：从“抗污染”到“主动调控”的范式转变
本研究的意义不仅在于提升分离性能，更在于提出了一种新的设计理念。
1. 将杂质转化为调控工具，传统思路是避免杂质，而本研究主动利用反应性小分子进行后调控。
2. 实现柔性MOF的**动态调控，通过小分子诱导刚化，解决了MOF“呼吸效应”导致选择性下降的问题。
3. 贴近真实工业工况，大多数气体分离研究在理想无杂质条件下进行，而本工作强调：杂质存在不可避免，真实环境下的结构响应同样关键
4. 为其他极性小分子调控提供启示，除氨气外，水、胺类等小分子也可能成为MOF结构调控因子。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Mdz4oGnttsz0jD5AowE5vA
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