中山大学薛铭、李意等《Angew》:MTV-MOF中空纤维膜精准设计制备以实现高通量化工膜分离过程调控

在石油化工与精细化工领域，芳香烃化合物的高效分离是关乎产业链的重要环节。这类分子尺寸差异小，化学性质相似，分离能耗大。膜分离技术虽凭借低能耗优势被寄予厚望，却长期受困于材料设计的根本性瓶颈：渗透性与选择性间的权衡关系。这一矛盾被学界称为“Robeson上限”，开发兼具原子级筛分精度与分子级传输效率的新型膜分离材料，是实现化工分离绿色转型的关键科学问题。

为了解决这一问题，中山大学薛铭教授研究团队联合重庆大学刘玲梅教授团队，创新性地通过数学模型指导的精准设计与可控制备，成功开发出具有独特“宽窄巷子”微结构的新型多变量金属有机框架（MTV-MOF）中空纤维膜，以实现高通量化工膜分离过程调控。相关工作以“Multivariate MOF Hollow Fiber Membranes with Precision-Tuned Subnanometer Channels toward Aromatic Hydrocarbon Separation”发表在《Angew》上。

图1. 组合多元配体构建MTV-MOF中空纤维膜

【MTV-MOF中空纤维膜的孔道设计】

研究团队将数学模型应用于膜材料原子尺度设计，通过精确调控不同功能化配体在膜层间的空间分布，以及在微结构骨架中的相对比例，成功构筑了具有局部限制性传输通道的周期性交替结构。其中，狭窄的局部限制性通道提供精确的分子尺寸筛分功能，确保高选择性，而相邻的宽阔通道则显著降低了小分子的传输阻力，大幅提升膜渗透通量。这种协同效应通过密度泛函理论计算与分子动力学模拟进行了系统阐释和验证。

图2. MTV-MOF中空纤维膜通道精确控制的示意图以及数学模型指导合成

图3. MTV-MOF中空纤维膜的形貌和吸附性能研究

【MTV-MOF中空纤维膜的性能】

实验结果表明，多变量配体策略使得膜的有效筛分孔径在亚纳米尺度上实现精准调控，该类MTV-MOF中空纤维膜在分离甲苯与间二甲苯时表现出优异性能：分离因子高达234.3，同时甲苯渗透通量达到创纪录的19,511.1 Barrer，成功突破了膜材料的分离性能极限。

进一步，研究团队展示了该类MTV-MOF中空纤维膜的实际应用潜力。构建了多级膜分离过程，利用不同孔径的MTV-MOF膜串联，成功实现了对复杂混合物（甲苯、二甲苯、三甲苯）的高效一步分离，凸显了分离膜材料在复杂化工分离体系中的潜在应用价值。

图4. 局部限制性孔道的探究及膜分离性能研究

图5. 多级联分离示意图及分离性能

总结：该研究创制的具有交替宽窄通道结构的分离膜，为解决膜分离领域长期存在的渗透-选择性权衡难题提供了科学方案。所发展的多变量配体调控策略与交替通道设计理念，为高性能分离膜开发开辟了新途径，其数学建模指导材料设计的方法论对功能材料的理性创制具有普适意义。

相关结果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的通讯作者是中山大学薛铭教授、李意副教授与重庆大学刘玲梅教授,第一作者是中山大学化学工程与技术学院博士研究生陈镇。

原文连接：https://doi.org/10.1002/anie.202508510

文章中 气体吸附测试数据	测试内容	可参考仪器
	甲苯/间二甲苯 吸附动力学 曲线测试	BSD-VVS&DVS  多站重量法 气体蒸气吸附仪
	甲苯/间二甲苯 的吸附等温线 测试
	77K N2 吸附 比表面积 及孔径分析 （静态容量法）	BSD-660系列 全自动高通量 高性能气体吸附 及微孔分析仪
	甲苯/间二甲苯 混合气体的 分离性能测试	多组分竞争吸附 穿透曲线及 气体分离膜分析仪