Sci. Adv. ：光響應(yīng)MOF膜實(shí)現(xiàn)石油分子的“精準(zhǔn)分級(jí)”

在全球煉油工業(yè)中，原油蒸餾與裂解分離是最核心、同時(shí)也是最耗能的環(huán)節(jié)。全球每天處理原油超過1億桶，僅分餾過程每年耗電量就超過1100 TWh，占全球能源消耗約1%。傳統(tǒng)蒸餾依賴沸點(diǎn)差異進(jìn)行分級(jí)，不僅能耗高，而且在裂解后分離結(jié)構(gòu)相近的分子時(shí)效率有限。膜分離被認(rèn)為是替代高能耗蒸餾的重要路徑。相比熱驅(qū)動(dòng)分離，膜技術(shù)可在溫和條件下實(shí)現(xiàn)分子篩分，理論上每年可節(jié)約約23 TWh能源。然而，石油體系復(fù)雜，從C6到C16乃至更高碳數(shù)分子尺寸差異細(xì)微，對(duì)膜孔徑提出了“雙重挑戰(zhàn)”：既要具備大范圍可調(diào)孔徑，用于不同餾分之間的分級(jí)；又要實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)精細(xì)調(diào)控，區(qū)分同一餾分內(nèi)尺寸接近的分子。如何兼顧“寬范圍調(diào)節(jié)”與“精確分辨”，成為膜分離技術(shù)突破的關(guān)鍵。

近日，廈門大學(xué)翁建、徐俊教授團(tuán)隊(duì)提出一種基于MOF（金屬有機(jī)框架）的“雙模式孔徑調(diào)控”策略，通過功能基團(tuán)尺寸與空間構(gòu)型的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)從宏觀調(diào)節(jié)到亞納米級(jí)動(dòng)態(tài)精調(diào)的統(tǒng)一。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了Azo-UiO-66系列MOF，通過在框架中引入不同長度的偶氮苯側(cè)鏈（L1–L4），實(shí)現(xiàn)：

• 大范圍孔徑調(diào)節(jié)：通過改變功能基團(tuán)長度，將孔徑從0.41 nm調(diào)節(jié)至0.68 nm，覆蓋C6–C16烷烴關(guān)鍵分子尺寸區(qū)間；

• 亞納米級(jí)動(dòng)態(tài)精調(diào)：利用偶氮苯在光照下可發(fā)生trans–cis可逆異構(gòu)，實(shí)現(xiàn)0.01–0.04 nm級(jí)別的精細(xì)調(diào)控。

這一策略本質(zhì)上將“靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”與“動(dòng)態(tài)光響應(yīng)控制”結(jié)合，形成雙層調(diào)節(jié)機(jī)制：

• 第一步：通過功能基團(tuán)長度實(shí)現(xiàn)不同碳數(shù)分子的粗分級(jí)（例如輕質(zhì)與中質(zhì)餾分區(qū)分）；

• 第二步：通過光誘導(dǎo)構(gòu)型變化，在相近尺寸分子之間實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)篩分（例如區(qū)分C6H14與C9H20）。

實(shí)驗(yàn)選取C6H14、C9H20、C11H24和C16H34四種支鏈烷烴進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示膜可形成穩(wěn)定的“碳原子數(shù)依賴滲透梯度”。經(jīng)過四級(jí)連續(xù)分離循環(huán)，C6H14純度從25%提升至92.2%，實(shí)現(xiàn)真正意義上的序列分級(jí)分離。更重要的是，該MOF膜在非極性有機(jī)體系中表現(xiàn)出優(yōu)異結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并保持可逆光響應(yīng)能力，為實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

這項(xiàng)工作在石油分離與膜材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有多重意義：

1. 能源意義：通過精確孔徑調(diào)控替代部分熱驅(qū)動(dòng)蒸餾過程，有望顯著降低石油分離能耗，為低碳煉化提供技術(shù)路徑。

2. 材料設(shè)計(jì)范式突破：首次將“功能基團(tuán)尺寸調(diào)控”與“光響應(yīng)空間構(gòu)型變化”協(xié)同應(yīng)用于MOF膜，實(shí)現(xiàn)寬范圍+高精度雙調(diào)節(jié)，為可編程孔徑設(shè)計(jì)提供新思路。

3. 分子級(jí)精準(zhǔn)分離能力：不僅可分不同餾分，還能區(qū)分同一餾分內(nèi)結(jié)構(gòu)接近的分子，推動(dòng)膜分離從“粗分級(jí)”走向“分子精篩”。

4. 拓展應(yīng)用潛力：該功能基團(tuán)與空間構(gòu)型協(xié)同調(diào)控策略，還可推廣至二維材料穩(wěn)定性調(diào)控等領(lǐng)域，為功能材料設(shè)計(jì)提供啟發(fā)。

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