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04
2026
-
09
ACS Nano: 让MOF真正“可加工”，微孔聚合物配体一步构筑二维polyMOF纳米片分离膜
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背景
MOF具有高度有序且可精确调控的纳米孔道，是构筑高性能气体分离膜的重要候选材料，但其晶体颗粒通常难以在溶剂中稳定分散，较差的溶液加工性使致密、低缺陷膜的制备面临挑战。传统方法通常通过在MOF表面接枝小分子、官能团或聚合物改善其与溶剂和聚合物基体的相容性，但这些后修饰过程往往较为复杂，更重要的是，外加聚合物容易覆盖或堵塞MOF孔口，使“提高可加工性”以牺牲其本征孔隙率为代价。polyMOF提供了另一种思路：直接利用带有配位基团的聚合物作为MOF配体，在晶体形成过程中将聚合物与MOF骨架进行分子尺度整合。然而，现有polyMOF大多为三维颗粒，并主要采用非多孔聚合物配体，同样存在孔隙率下降的问题。因此，如何同时实现二维化、溶液可加工和孔道开放，使MOF从难加工的晶体材料真正转变为适合膜制备的功能性构筑单元，是polyMOF膜进一步发展的关键。
创新
近日，天津大学姜忠义、何光伟教授团队联合新加坡国立大学赵丹教授团队以二维NUS-8（Zr-BTB）为基础，引入羧基化固有微孔聚合物cPIM-1作为聚合物配体，通过一步合成直接获得cPIM-1-NUS-8（polyNUS）二维polyMOF纳米片，实现了聚合物功能与MOF晶体结构的分子级融合。与传统非多孔聚合物修饰不同，cPIM-1自身具有丰富的固有微孔，因此在显著提高纳米片溶剂分散性和加工性能的同时，并未以严重堵塞MOF孔道为代价。所得polyNUS纳米片厚度仅约4 nm，横向尺寸超过10 μm，能够稳定分散于多种溶剂并进一步组装成厚度仅35–130 nm的超薄层状膜。更重要的是，cPIM-1并非单纯充当“增溶剂”，还同时增加额外微孔、增强MOF对CO₂的亲和作用，并调节二维纳米片的堆叠取向，从而形成更加高效的CO₂选择性传输路径。最终，polyMOF层状膜实现超过400 GPU的CO₂渗透率和约25的CO₂/CH₄选择性；同时，polyNUS更强的有机特征改善了其与聚合物基体的界面相容性，构筑的polyNUS/PI混合基质膜CO₂/CH₄分离性能进一步突破2008和2018 Robeson上限。
意义
这项工作的核心意义并不只是获得了一种新的二维MOF纳米片，而是改变了改善MOF加工性能的基本思路——从传统的“先合成MOF、再进行表面聚合物修饰”转向“直接用功能性微孔聚合物参与MOF构筑”。这样一来，聚合物不再只是包覆在MOF外部的辅助相，而成为晶体结构的一部分，从源头同时赋予材料溶液加工性、额外孔隙、CO₂亲和性和界面相容性，并避免传统非多孔聚合物改性造成的孔道堵塞。更进一步，同一种polyMOF纳米片既可以直接组装成超薄层状选择层，又能够作为高相容性填料用于混合基质膜，相当于建立了一类兼具“MOF有序孔道+PIM固有微孔+二维膜构筑能力”的模块化膜材料平台。因此，该研究真正值得关注的是“将可加工性直接编码进MOF构筑单元”这一材料设计理念，为解决MOF从优异晶体材料走向可规模加工膜材料之间的长期鸿沟提供了新的路径，也为polyMOF在气体分离及其他膜过程中的进一步拓展提供了更具普适性的设计策略。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/kZl1F2zuXtUhGqAHBoWT5g
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