中文 EN

新闻资讯

NEWS CENTER

首页

2026

JACS: 仿生“船中船”策略，多尺度协同设计的MOF膜突破共沸分离极限

作者：

背景

在化工生产中，共沸混合物（如乙醇/水、乙酸/水等）的分离是*耗能的环节之一。传统的精馏法受限于蒸汽–液体平衡，不仅能耗高，还难以实现完全分离。基于膜的渗透汽化技术以其**节能特性成为理想替代方案，但要实现对极为相似分子的**筛分，膜材料需同时具备致密性与分子筛分精度，这在材料设计上仍是重大挑战。金属有机框架（MOFs）因其可调孔径与化学稳定性被视为理想的分离膜材料。然而，以MIL-100（Fe）为代表的MOF膜存在两大瓶颈：成膜困难：传统溶液法生长能垒高、成核慢，易形成缺陷；孔径过宽：MIL-100 的介孔笼（5.5–8.6 Å）过大，难以有效区分水与小分子有机物。如何在多尺度上协同控制晶体生长与孔径结构，成为实现**共沸分离的关键。

创新

近日，中科院大连化学物理研究所杨维慎、班宇杰研究员团队受生物矿化启发，提出了一种“仿生模板诱导的多尺度协同设计策略”，利用可控牺牲的模板膜实现从微观到分子层级的**调控。

仿生矿化：从自然到人工的跨尺度启发

研究团队借鉴贝壳、骨骼等生物矿物的形成原理，以CuBTC（金属有机骨架模板）膜为“矿化模板”，引导 MIL-100(Fe) 的逐点成核与有序生长。该模板既提供化学养分（BTC配体），又提供结构“脚手架”，使 MIL-100 纳米晶在其表面点对点定向组装，形成致密无缺陷膜。

动态竞争：牺牲与保留的结构平衡

在矿化过程中，CuBTC 模板发生“半牺牲–自保留竞争”：部分 CuBTC 被 Fe 替换转化为 MIL-100，而未完全转化的 CuBTC 纳米团簇被封装进 MIL-100 孔笼中，形成独特的“船中船（ship-in-bottle）”结构。这一结构使 MIL-100 的介孔笼被部分占据，孔径从介孔级收缩至分子级，实现亚纳米精度的筛分。

多尺度协同：从结构到性能的跨层级突破

该策略在微观（成膜完整性）、纳米（晶体排列）与分子（孔径精化）三个层面协同优化，使膜在脱水共沸体系中实现*高选择性与高通量并存。在 90 wt% 乙醇/水体系中，膜的分离因子高达 3200，通量达 2.58 kg·m⁻²·h⁻¹，远*当前*先进膜材料。

意义

该研究以仿生矿化为核心，建立了MOF膜从“模板引导”到“自调控成膜”的新范式，在膜材料科学与能效化工分离中具有重要影响。

科学意义：

揭示了模板诱导与自限反应耦合可在多尺度上协同调控晶体生长与孔径结构，为 MOF 膜的**构筑提供了新思路，也为理解生物矿化的动态结构演化提供了材料学模型。

技术意义：

该“仿生矿化–模板牺牲”策略实现了可控、可扩展、无缺陷的 MOF膜制备，为多种共沸体系（乙醇/水、乙酸/水、乙腈/水等）提供通用解决方案。

应用前景：

研究成果展示了通过分子级结构调控实现能量**的分子分离的新路径，可广泛应用于绿色化工、精细溶剂回收、制药及新能源工艺等领域。