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25
2026
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03
JACS: 一材两用，晶向调控实现可切换的H₂/CO₂分离MOF膜
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一、背景：晶体取向调控带来的新机遇
金属有机框架（MOF）膜因其规则孔道结构和可调化学环境，在气体分离领域展现出突破传统聚合物膜渗透率–选择性权衡的巨大潜力。然而，MOF膜性能不仅取决于材料本身，其微观结构调控同样至关重要，尤其是晶体取向对分离行为具有决定性影响。在各向异性MOF结构中，不同晶面方向暴露的孔道排列与吸附位点差异显著，从而直接影响气体传输路径与吸附作用。尽管已有研究集中于通过物理尺寸筛分效应实现高选择性分离，但对基于化学吸附调控的取向工程探索仍较为有限。此外，传统的取向MOF膜多依赖晶种辅助二次生长，制备过程复杂、可重复性受限，亟需更为简便且可控的制备策略 。
二、创新：晶向可控实现分离性能可逆切换
近日，太原理工李晋平、李立博教授团队以KAUST-7（NbOFFIVE-1-Ni）为模型材料，提出一种通过晶体取向调控实现气体分离性能可逆切换的全新策略。
1. 无晶种液–汽沉积构筑定向膜
采用溶剂诱导液–汽沉积方法，成功实现无需晶种的高度(112)取向超薄KAUST-7膜的直接生长，显著简化了制备过程。
2. 对比构建不同晶向膜结构
通过二次生长法制备(001)取向孔道排列的KAUST-7膜，用于系统比较不同晶向对气体分离性能的影响。
3. 晶向调控实现分离性能反转
尽管两种膜的本征孔径相同（约0.32 nm），但其分离行为却截然不同：
(112)取向膜：暴露氟富集的NbOF₅²⁻吸附中心，对CO₂产生强吸附作用，表现出H₂/CO₂选择性达52.7；
(001)取向膜：孔道沿c轴排列，CO₂优先透过，表现出CO₂/H₂选择性达4.7。
该现象表明，通过晶向调控可实现由熵主导扩散机制向焓主导吸附机制的转变，从而实现分离性能的可逆切换 。
三、意义：晶向工程开启自适应膜分离新范式
本研究**证明了通过晶体取向调控，可在不改变材料组成和孔径结构的情况下，实现MOF膜分离性能的灵活切换，具有重要的科学与工程意义：
1. 打破材料组成对性能的单一依赖
同一MOF材料可通过晶向调控实现不同分离功能，显著提升材料利用效率。
2. 提出“化学取向优选”新概念
相较传统依赖孔径匹配的“物理取向优选”，该研究展示了基于吸附位点暴露的“化学取向优选”策略，为复杂气体体系分离提供新思路。
3. 构建可调适应型膜分离平台
该策略可推广至其他具有各向异性孔道结构和方向性吸附位点的MOF体系，为开发多功能、自适应气体分离膜奠定基础。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/N8T9PfVtV1N0GE5o_ti8Vw
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