Advanced Materials：具有高效分子筛分与自修复功能的配位聚合物复合膜
在化工分离、能源净化和高纯物质制备等领域，分子筛分膜技术因其低能耗、高效率等优势备受关注。然而，传统聚合物膜易发生溶胀和孔塌陷，晶态多孔膜虽具有规整孔道，却因晶界缺陷和合成复杂性难以实现大规模制备。因此，如何将精准孔隙与聚合物级加工相结合，且具有优异的化学、机械和热稳定性的分离膜材料制备仍是挑战。
针对以上科学与技术问题，中山大学薛铭教授、李意副教授课题组提出了创新的配位聚合物玻璃（Coordination Polymer Glass, CP）联合多孔配位聚合物材料（Porous Coordination Polymer, or Metal-organic framework, MOF）的策略，利用有序且孔径可调的MOF单元作为高效传质通道，CP玻璃封堵晶间缺陷，采用熔融淬火法成功制备出一系列无缺陷且可自修复的高效分子筛复合膜（GUM），实现了在有机溶剂纳滤、同分异构体渗透汽化和气体分离等化工重要分离领域的精准分离。该研究成果发表于《Advanced Materials》期刊。
图1. GUM复合膜的设计与制备示意图
【GUM复合膜的设计与制备】
研究团队以三种不同金属中心（Zr、Al、Zn）和拓扑结构的MOF为主体，通过熔融淬火法将非晶态CP玻璃与MOF复合，形成致密无缺陷的分离层。这些 GUM 膜具有紧密堆积的MOF结构，可建立有效的选择性通道来控制分子传输。与MOF相统一的橡胶态 CP 玻璃消除了膜内的非选择性缺陷或裂纹，从而利用MOF的精准分子筛分实现高分离选择性，甚至可以通过简单加热修复损伤裂纹。GUM 膜内的MOF具有高密度孔隙和低曲折度，是超快速分离的理想选择。进一步研究了配体缺失（前处理）或配体交换（后处理）的孔道精准调控，展示了GUM膜的预/后修饰优势，显著提高了膜的渗透性和选择性。基于丰富的MOFs材料库，该研究为设计适用于不同化工分离场景的分离膜材料提供了可行的策略。
图2. 三种GUM复合膜（Zr-GUM、Al-GUM、Zn-GUM）的结构与形貌表征
【GUM复合膜不同化工分离领域的性能】
在有机溶剂纳滤中，Zr-GUM膜表现出优异的耐溶剂性和高温稳定性，在140℃的DMF中对酸性品红的截留率达到99.6%，渗透率高达15.6 L·m-2·h-1·bar-1，优于多数现有膜材料。通过前处理调控，Zr(D)-GUM膜的ε/τ值提升至0.1589，表明其中的MOF单元形成了高密度低曲折度的孔径，膜的渗透性显著增强。
图3. Zr-GUM膜在有机溶剂纳滤中的性能
在C8二甲苯同分异构体分离中，Al-GUM膜凭借其特有的正弦孔道结构，实现对二甲苯的高选择性吸附与扩散，渗透汽化分离系数达44.8，通量为390 g·m-2·h-1，优于多数无机沸石和有机聚合物膜。
图4. Al-GUM膜在异构体渗透汽化中的性能
在气体分离中，Zn-GUM膜表现出优异的H2/CO2选择性（201.6）和H2渗透性（635 GPU），这归因于Zn-MOF在准垂直排列和受限通道性。MOF材料具可调控的表面化学性质，基于这一特性可以在GUM复合膜中通过靶向后修饰来精确控制孔结构（窗口几何形状、通道尺寸、功能基团），以实现孔道精准调控，从而优化分离性能。经后修饰改性，H2/CO2选择性进一步提升至285.7，显示了该类GUM复合膜的优势。
图5. Zn-GUM膜在气体分离中的性能及自修复过程
【自修复功能与实用性】
值得一提的是，CP玻璃的熔融特性赋予GUM复合膜出色的自修复能力。膜在受损后可通过简单加热实现裂纹闭合，分离性能恢复，具备良好的循环使用性和机械加工性能。该特性提升了膜材料在实际操作中的可靠性和使用寿命。
该研究工作，通过熔融淬火策略成功制备了一系列具有无缺陷、可调孔道、自修复等多功能特性的GUM复合膜，实现了从液体到气体多种化工分离场景下的高效、稳定分子筛分。该策略材料适用性广、工艺简便、性能优异，为高性能分离膜的设计与制备提供了新思路，具备重要的科学价值和潜在的工业应用前景。
上述研究成果近日发表在Advanced Materials期刊，论文通讯作者是中山大学化学工程与技术学院薛铭教授、李意副教授，第一作者为陈镇博士。研究工作得到了国家自然科学基金、广东省科学技术厅、珠海市科技计划、中山大学基础科研专项基金等项目的资助以及珠海市光电功能材料与膜技术重点实验室的支持。
Advanced Materials, 2025, DOI:10.1002/adma.202512654