随着全球对清洁能源的需求不断增加，氢气（H₂）作为一种绿色能源载体，逐渐成为研究的焦点。然而，H₂与小分子气体二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）的分离在实际应用中仍然面临许多挑战，特别是如何提高分离的选择性和效率。近日，华东师范大学黄爱生教授和陈晓芳研究员团队通过创新的“MOF-in-COF”策略，成功将金属有机框架(MOF) ZIF-8嵌入共价有机框架（COF）的孔道中，构建了一种具有多级微纳米通道的复合膜，成功实现H₂与CO₂及CH₄的高效分离。

技术创新

本研究基于MOF-in-COF概念，采用真空辅助合成策略，有效地将ZIF-8晶胞镶嵌在TB-COF的一维孔道内。与传统的浸泡法不同，真空辅助技术能够快速且高效地将MOF前驱体溶液引入COF的孔道内，避免MOF仅在表面生长。此外，ZIF-8的单位晶胞大小为1.7 nm，略小于TB-COF的孔道宽度（约2.7 nm），使得ZIF-8能够恰好填充并形成精确的筛分通道。

性能优势

该膜展现出高效的气体筛分性能，特别是在H₂/CO₂、H₂/CH₄和H₂/C₃H₈的混合气体分离中，ZIF-8@TB-COF膜的分离因子分别高达21.9、63.1和134.4，显著优于传统的聚合物膜和COF膜。这一性能的提升归因于MOF修饰后的COF孔道尺寸更加精准，从而大大增强了H₂与其他小分子的筛分能力。ZIF-8@TB-COF膜不仅具备优异的气体分离性能，而且具有较高的热稳定性和化学稳定性，适合用于长时间的工业应用。

未来展望

该研究为未来高性能气体分离膜的设计提供了新的方向。通过对孔道尺寸、金属位点以及功能化团体的精确调控，有望设计出更高效、可持续的气体分离材料，为应对气候变化和能源危机提供创新的解决方案。