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EPFL Sci. Adv. : 超薄MOF膜突破 — 4纳米“筛分”实现高效氢气纯化

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-15 17:10

正文

▲第一作者：宋树青

通讯作者：Kumar Varoon Agrawal

通讯单位：瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）

论文DOI：10.1126/sciadv.ads6315 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

瑞士洛桑联邦理工学院团队开发出一种仅 4 纳米厚的金属有机框架（ Zn₂(bim)₄ ）薄膜，可在室温下 10 分钟内快速合成。该薄膜在高压条件下表现出优异的 H ₂ /CO ₂ 分离性能，为绿色能源转型提供了高效解决方案。

背景介绍

氢气（ H₂ ）是清洁能源的关键载体，但其生产过程中常混有二氧化碳（ CO₂ ），需高效分离技术。传统膜材料（如 Pd 膜、聚合物膜）存在成本高、稳定性差或选择性不足等问题，尤其在高压环境下性能大幅下降。

研究亮点

快速绿色合成：仅需室温水溶液和 10 分钟反应时间，避免高温和有毒溶剂。

超薄无缺陷：薄膜厚度仅两晶胞（ 4 纳米），通过定向生长消除孔道缺陷。

高压高选择：在 1 bar 压力下， H₂/CO₂ 选择性达 160 ，且耐受 4 bar 高压不失效。

图文解析

图 1 材料设计与合成策略 .

Zn₂(bim)₄ 的 4 元环孔道（ 2.1 Å ）通过柔性配体动态调节，精准筛选 H₂ （ 2.89 Å ）与 CO₂ （ 3.30 Å ）。超稀前驱体溶液延缓均相成核，原子级平滑石墨烯基底促进二维定向生长，形成连续无缺陷薄膜。

图 2 薄膜结构与取向分析

同步辐射掠入射 X 射线衍射（ GIXRD ）显示薄膜沿 c 轴高度取向（ 002 峰），透射电镜（ TEM ）衍射斑点证实晶粒尺寸超 1 微米，减弱晶界缺陷对分离性能的影响。

图 3 薄膜生长动态过程

原子力显微镜（ AFM ）追踪薄膜生长： 2 分钟形成孤立晶核（ 2 纳米厚）， 10 分钟晶粒合并为连续 4 纳米薄膜（双晶胞厚度）。横向生长速度比垂直方向快 100 倍。

图 4 H2 纯化性能及其对比

在 1 bar 压力下， H₂ 渗透率达 6290 GPU ， H₂/CO₂ 选择性为 160 （混合气体中达 152 ）。 4 bar 高压下选择性仍保持 62 ，且恢复至 1 bar 后性能稳定，远超传统 MOF 和聚合物膜。

总结与展望

该研究为氢能纯化提供了高性能膜材料，未来可通过扩展 MOF 框架种类优化分离场景，并推动工业化应用。

课题组介绍

先进分离实验室（ LAS ）简介

瑞士洛桑联邦理工学院（ EPFL ）先进分离实验室（ Laboratory of Advanced Separations, LAS ）专注于跨学科研究，通过原子级（埃尺度）材料化学与工程开发高性能无机及复合膜，致力于突破分子与离子分离的能效极限。实验室以超薄膜工程为核心，精准构筑单原子厚度（如石墨烯）、单晶胞厚度（如金属有机框架