中山大学薛铭/李意：配位聚合物玻璃一体化MOF膜：实现高效分子筛分与自修复

• 首创GUM膜设计：通过熔融-淬火法将CP玻璃与MOF晶体结合，消除晶界缺陷；

• 多功能分离性能：在有机溶剂纳滤、二甲苯异构体分离、H?/CO?气体分离中均表现卓越；

• 非破坏性改性：通过前/后修饰调控MOF孔道结构，进一步提升分离选择性；

• 自修复能力：CP玻璃的熔融流动性使膜具备热诱导自修复功能；

• 普适性强：适用于多种MOF类型（Zr、Al、Zn基），具备工业化潜力。

Scheme 1: GUM膜定制策略示意图

解读：a) MOF的前修饰（引入缺陷）和后修饰（配体交换）策略；b) GUM膜的制备流程与分子传输机制，小分子通过MOF孔道进行选择性传输。

Figure 1: GUM膜的结构表征

解读：a1–c1) 三种MOF（Zr-MOF: spn拓扑，Al-MOF: yfm拓扑，Zn-MOF: sgl拓扑）的晶体结构；a2–c2) 在α-Al?O?基底上制备的不连续MOF膜表面形貌；a3–c3, a4–c4) GUM膜的表面和截面SEM图像，显示CP玻璃（G）无缝封装MOF晶体（M），形成无缺陷结构。

Figure 2: Zr-GUM膜的有机溶剂纳滤性能

解读：a) Zr(D)-GUM膜对染料的截留率与分子尺寸关系，符合尺寸排阻机制；b) 在140°C下对AF/DMF溶液的分离性能，保持99.6%截留率；c) 不同溶剂在Zr-GUM与Zr(D)-GUM膜中的渗透性对比，后者因缺陷更多渗透性更高；d) 孔密度（ε）与曲折度（τ）对渗透性的影响机制；e–g) GUM膜与文献报道膜的ε/τ值、分离性能和标准化MWCO对比，Zr(D)-GUM膜的ε/τ值达0.1589，为现有最高。

Figure 3: Al-GUM膜的二甲苯异构体渗透汽化性能

解读：a) pX与oX分子尺寸与Al-MOF孔道结构对比；b) Al-MOF与CP玻璃对pX/oX的吸附等温线，Al-MOF对pX吸附更强；c–d) DFT计算显示pX在Al-MOF中具有更强吸附能（因甲基与氧位点静电作用）；e–g) 分子模拟显示pX在Al-MOF中扩散系数更高；h) Al-GUM膜在75°C下对pX/oX的分离因子达44.8，通量为390 g m?2 h?1，优于现有膜材料。

Figure 4: Zn-GUM膜的气体分离与后修饰

解读：a) 三种GUM膜的H/CO?分离性能；b) 与文献膜性能对比，Zn-GUM膜选择性达201.6，H?渗透性为635 GPU；c) Zn-GUM膜后修饰示意图；d) FTIR验证氨基配体成功交换；e) 修饰后Zn(M)-GUM膜选择性提升至285.7；f–g) Zn-GUM膜损伤后经175°C热处理实现自修复，SEM显示裂纹完全闭合。

总结与展望

本研究通过熔融-淬火法成功制备了多种GUM膜，实现了无缺陷、高选择性、高渗透性的分子分离，并具备自修复能力和优异的化学/机械稳定性。该策略突破了传统MOF膜制备的瓶颈，具有以下前景：

• 材料库扩展：可适配更多MOF类型，应对不同分离场景；

• 工业化潜力：工艺流程简单、重复性好，适于大规模制备；

• 智能膜设计：结合自修复与刺激响应特性，提升膜寿命与适应性；

• 多领域应用：不仅限于气体和液体分离，还可拓展至催化、传感等领域。

GUM膜为下一代高效分离膜的设计与制备提供了全新范式，有望在能源、化工、环境等领域实现广泛应用。

文章中 气体吸附测试数据	测试内容	参考仪器
	pX/oX 的吸附等温线	BSD-660系列 全自动高通量 高性能气体吸附 及微孔分析仪
	H?/CO? 混合气体的 膜渗透率 和选择性	BSD-MAB&M 多组分竞争吸附 穿透曲线及气体 分离膜分析仪

贝士德 吸附表征 全系列测试方案