原创 班宇杰
膜是一种极薄的物质。它除了具有我们熟知的包覆和隔绝作用外，一些特殊功能的膜，由于其具有与筛眼一样规整的孔，可以实现对混合物的分离。分离膜材料的选择是实现高效膜分离过程的核心。金属、金属氧化物、无机多孔材料、有机聚合物等都是常见的膜材料。
金属-有机骨架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）是由金属离子（或离子簇）与有机配体通过化学键合作用连接而成，拥有建筑美学的网络骨架，是多孔材料家族的颜值担当。MOFs孔道易于调变，可用于接纳体型各异的外来分子；其表面含有多种类型的功能基团，可作为材料本身与外来分子亲疏远近的风向标。
近年来，MOFs材料在催化、荧光、传感、电化学、吸附分离、药物传递等诸多领域崭露头角。尤其是在气体吸附、储存和高纯分离等领域得到广泛应用。研究表明，MOFs是极具潜力的分离膜材料。当一个个具有规整孔结构的MOFs晶粒紧密相连并在二维平面内延伸，即可形成膜，其厚度可从微米到纳米级别，尺寸较小的外来分子可凭借身材优势优先穿过膜孔道。同时，某些分子又会与具有特殊基团的MOFs “惺惺相惜”，进而获得优先穿过膜孔道的特别通行证。这样一来，当我们在膜的一侧通入混合物，不同种类的外来分子便可以不同速率穿过膜，进而实现彼此分离。可以说，是MOFs材料在孔道结构和化学组成方面的双重优势，共同开启了它的“膜”法之旅。
中国科学院大连化学物理研究所杨维慎研究员所带领的无机膜与催化新材料团队在MOFs膜基于分子尺度的精确筛分领域开展了系统的、前瞻性的研究工作，受到了国际同行的广泛关注。研究团队提出基于疏水性MOFs纳米粒子构建复合膜，并用于水溶液中高效富集丁醇和糠醛；在此基础上，通过在材料壳层修饰更加疏水的有机配体，进一步提高了复合膜的分离性能和水热稳定性。
与此同时，研究团队尝试将MOFs复合膜分离方法与糠醛制备的化学反应相耦合来构建新型膜反应器，在化学反应过程中原位移除糠醛分子，成功提高糠醛收率，有效避免副反应发生。上述研究对于生物燃料及生物质基平台化合物的有效利用具有重要意义。
研究团队提出以金属离子交换反应来扩张MOFs材料的孔尺寸，以显著提高气体分子穿过膜孔道的速率；提出在MOFs材料孔内引入体积庞大的客体分子来占据孔内空间，缩减孔尺寸，以进一步提高膜对大尺寸气体分子的截留能力。上述研究在CO2捕获与天然气纯化方面发挥重要作用。
为了进一步获得具有精确分子筛分能力和超快透气速率的MOFs膜，杨维慎团队制备了具有规整孔道结构、纳米级厚度的超薄MOFs膜。该项研究成果发表在国际顶级学术期刊《科学》（Science）上，并被美国化学会C&EN和《自然-化学》（Nature Chemistry）作为专题报道。
近日，杨维慎研究员受邀在国际知名学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表MOFs分离膜进展报告。该报告从介观和微观两个角度入手，系统阐述了对MOF膜微观结构的优化构建工程和网络骨架的设计调变策略，并展望了MOFs膜的发展方向及面临的机遇和挑战。“等闲识得东风面，万紫千红总是春”。MOFs，这一冉冉升起的新星，也将续写它愈发精彩动人的“膜”法之旅。
（本文原载于《中科院之声》 2017-06-30）
