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28
2026
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CEJ: “二维遇上零维”，层笼协同打造氦气分离的新一代多级微孔膜
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背景
氦气（He）是一种战略性稀有气体，广泛应用于航空航天、低温超导、半导体制造与核聚变等关键领域。然而，氦气的分离与纯化*为困难——它具有*小的分子动径（2.6 Å）和*低的*化率，通常以*低浓度混杂于天然气中。现有的聚合物膜依赖溶解–扩散机制，对*难*化的小分子He几乎“无感”，反而更易透过更大的CH₄分子，从而导致低选择性与低渗透率。虽然金属有机骨架（MOF）和共价有机框架（COF）因其规则的孔道结构被寄予厚望，但两者各有短板：MOF孔径虽小却限制通量，COF通道虽快却缺乏足够的分子筛分能力。如何在“快速扩散”与“筛分”之间取得平衡，成为实现氦分离的核心科学挑战。
创新
近日，北京化工大学孟洪、范红玮教授团队提出了一种二维–零维协同的层笼混合策略，将带正电的离子型COF（iCOF）纳米片与带负电的铁基金属有机笼（Fe-MOC）通过静电耦合层层整合，构筑出一种分级微孔（的复合膜结构。
二维COF层：
作为“基底层”，iCOF纳米片形成连续的平面扩散通道，为He分子提供低阻力、快速穿越路径。
零维MOC笼：
Fe-MOC单元被嵌入COF孔道中，形成局域限域区，通过空间排斥与电荷效应显著阻碍CH₄分子渗透。
层笼协同效应：
这种“层+笼”的混合微结构在膜内产生异质静电微环境：He分子得以快速通过，而CH₄在狭窄笼孔中被有效延滞。结果表明，所制备的iCOF@Fe-MOC复合膜实现了He渗透率163 GPU与He/CH₄选择性7.1的优异性能，并在不同温度与压力下保持稳定。
这一层笼协同的层次结构，不仅在微观上实现了“通道–笼体–界面”的连续传输网络，也在宏观上突破了通量–选择性权衡的瓶颈。
意义
该研究以跨维度整合的思路，开创了多级微孔膜在气体分离领域的新范式。
科学意义：
通过在同一膜体系中实现二维扩散与零维限域的耦合，本工作揭示了层次孔结构与电荷微环境协同调控气体传输的新机制，为理解“超小分子–弱相互作用体系”中的选择性扩散提供了理论基础。
技术意义：
该iCOF@Fe-MOC膜兼具高通量与高选择性，打破了传统COF或MOF膜的性能边界，为氦气提纯、天然气分馏及惰性气体分离提供了可工业化的新路径。
应用前景：
这一“二维–零维耦合”设计原则可推广至H₂、Ne、CO₂等小分子气体分离与储能体系，为未来智能分子筛膜与多尺度界面材料设计奠定了通用策略。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/TLMa9i2mlvyv_5UOrzYVNg
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