CEJ：共價有機框架-金屬有機籠分級微孔膜用于高效氦氣分離

膜分離技術在稀有氣體純化及工業氣體分離領域具有廣闊前景。由具有規整通道和高度可調控性的共價有機框架（COF）組裝而成的薄膜為實現這一目標提供了理想平臺，但傳統COF膜受限于孔徑較大（通常> 8 ?），往往難以實現對氦氣（2.6 ?）等超小分子的精確尺寸篩分。本研究報道了以鐵基金屬有機籠（Fe-MOC）作為離散修飾單元，通過靜電組裝策略將其嵌入帶正電荷的離子型共價有機框架（iCOF）納米片孔道中，構建出一種新型的多級微孔復合膜。iCOF 提供低阻力的二維傳輸通道與Fe-MOC產生的尺寸篩分作用，所制備的“籠-架”復合膜（iCOF@Fe-MOC）表現出優異性能：He滲透率達163 GPU，同時He/CH?選擇性達7.1。在長達240小時的穩定性測試中，該復合膜展現了良好的穩定性。本研究凸顯了多級微孔復合膜在氦氣分離提純領域中的應用潛力。

2026年1月25日，該工作以“Covalent Organic Framework-Metal-Organic Cage hierarchically microporous membrane for efficient helium separation”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上，北京化工大學2024級博士研究生侯進鵬為本文第一作者，北京化工大學范紅瑋教授，新疆大學孟洪教授為本文通訊作者。

圖文解析

圖 1. (a) 靜電耦合iCOF@Fe-MOC 膜的制備示意圖。(b) 分散液和丁達爾效應的宏觀照片。(c) iCOF、Fe-MOC和iCOF@Fe-MOC的Zeta電位

圖2. (a) iCOF@Fe-MOC的TEM圖像和(b-d)元素分布

圖3. (a) TpEBr的模擬XRD圖譜以及Fe-MOC、iCOF和iCOF@Fe-MOC粉末的實測XRD圖譜。(b) iCOF和iCOF@Fe-MOC粉末的FT-IR光譜。(c) iCOF的N2吸附/脫附曲線及其對應的孔徑分布。(d) iCOF@Fe-MOC的N2吸附/脫附曲線及其對應的孔徑分布

圖 4. (a) 使用 0.5 mL分散液制備的iCOF@Fe-MOC膜的表面SEM圖像，插圖為數碼照片；(b) 使用0.5 mL分散液制備的iCOF@Fe-MOC膜的橫截面 SEM 圖像；(c) iCOF 膜和iCOF@Fe-MOC膜的XRD圖譜，插圖為局部放大圖；(d) iCOF 膜和 iCOF@Fe-MOC膜的FT-IR光譜

圖5. (a) iCOF、Fe-MOC、iCOF+Fe-MOC和iCOF@Fe-MOC膜對He/CH4分離性能的比較。(b-d) 不同單體比例和分散量對He/CH4分離性能的影響

圖 6. 研究了影響iCOF@Fe-MOC膜He/CH4分離性能的因素，包括：(a) 溫度，(b) 進料壓力，以及 (c) 進料氣體中的 He/CH4比

圖 7. 孔口改性 iCOF@Fe-MOC 膜的長期穩定性。(b) iCOF@Fe-MOC膜的選擇性與滲透率的關系，并與文獻數據進行比較

結論

通過合理的結構設計，Fe-MOC因其亞納米空腔、良好的荷電特性及與iCOF孔道的尺寸匹配性，成為調節框架材料篩分性能的理想修飾基元。利用靜電組裝及真空過濾技術，制備出的iCOF@Fe-MOC復合膜展現出高He滲透率、優異的He/CH?選擇性以及良好的穩定性。這些性能源于iCOF提供的低阻力二維傳輸通道與Fe-MOC單元產生的空間限域效應的協同作用。該復合膜的設計為構建用于分離涉及超快分子和弱相互作用分子的復雜氣體的多級微孔膜提供了一個通用且合理的框架。

該研究獲得國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金的支持。

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894726009046

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