德国应用化学：制备出高选择性“零维”分子筛膜

　　 用一把“筛子”将大小各异的物质分离开，通过这个思想，科学家研发出各式各样的分子筛膜。但“筛孔”的大小并不好控制，一张膜上的筛孔或大或小，让不少分子成为“漏网之鱼”，分子筛膜的选择性大大降低。

　　近日，中科院大连化学物理研究所研究员杨维慎、副研究员班宇杰团队提出以简单“零维分子”——2—甲基咪唑为基元构筑高选择性分子筛膜。这种“零维”概念的分子筛膜，实现了氢气（H2）/二氧化碳（CO2）分子的有效分离。该“零维”分子筛膜为获取高纯H2及捕获CO2提供了潜在实现路径。这项研究成果发表于《德国应用化学》。

　　分子筛膜的孔结构就像筛子一样，可实现分子传输分离，在高效、低能耗化工分离领域发挥着重要作用。目前，经典分子筛膜一般由沸石、金属—有机框架等纳米孔材料制备得到，主要以三维微米晶粒或二维纳米片为构筑基元。

　　班宇杰介绍，传统三维、二维基元间往往是“弱连接”，“貌合”却“神离”，导致基元之间“渐生嫌隙”，这就是所谓的晶间缺陷。缺陷多了，一些本该被截留的分子就会“趁虚而入”，膜的选择性大打折扣。

　　研发新型膜材料，提高分子筛膜的分离性能是团队的长期攻关目标。2018年，团队成员计划以2—甲基咪唑为配体来合成金属—有机框架材料（MOF），却意外发现，这种没有任何分离性质的简单有机分子，可以在一种活性基层上组装成膜，并展现出优异的分离效果。这令团队惊奇。

　　H2的分子直径0.289纳米，CO20.33纳米，“这意味着，实验过程中产生了一种孔道直径介于两者之间，具有强筛分效果的新型分离膜。”班宇杰说。

　　这种分子筛膜是什么，又是如何形成的？“复盘”如火如荼。历时两年，研究人员解开谜团，发现一般喜好吸附有机分子，表面留有配位不饱和金属离子的MOF，对有机化合物2—甲基咪唑抛出橄榄枝，诱导其蒸气分子在表面定向“着陆”和有序组装，从而形成高度取向的超分子阵列膜（SAM）。SAM的埃米级分子间隔约0.3纳米，能够精确筛分具有微小尺寸差异的H2/CO2分子。

　　据介绍，相比经典分子筛膜，SAM的提出有两点重要突破，其一，此次构筑基元是零维分子级别，凭借超分子相互作用有序聚集，可全面消除经典分子筛膜晶间缺陷；其二，经典分子筛膜借助材料本征纳米孔筛分不同物质，SAM则利用有效分子间隔实现分离。与目前性能最优的分子筛膜相比，H2/CO2分离选择性提高了一个数量级。

　　《德国应用化学》编辑称，“同行评议一致认为该研究所报道的结果很重要甚至非常重要”“仅有不到10%的论文可获得如此积极的评价”。

　　杨维慎表示，SAM的优异性能表明，以简单“零维分子”直接作为基元构筑新一代分子筛膜具有可行性，该理念变革了传统分子筛膜的构筑基元类型、微观堆砌模式和分离传输通道。下一步，团队将在控制基元间隔、调控组装过程、发展多种类型膜材料等方面努力，让零维分子筛膜尽快实现多元化分离。