仲崇立教授团队的研究成果创制出一类被称为“MOF玻璃泡沫”的新型膜材料

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2023年5月11日，《自然·材料》（Nature Materials, IF: 47.656）发表了我院仲崇立/乔志华教授团队与天津大学、剑桥大学等单位合作完成的学术论文《ZIF-62 glass foam self-supported membranes to address CH4/N2 separations》（Z. Yang#, Y. Belmabkhout#, L. N. McHugh#, D. Ao,Y. Sun, S. Li, Z. Qiao*, T. D. Bennett, M. D. Guiver*, C. Zhong*,Nat. Mater., 2023, DOI: 10.1038/s41563-023-01545-w）。
         据悉，自支撑晶态MOF膜难以制备，而传统的MOF玻璃膜孔道不发达，气体通量较低，限制了其工业应用。仲崇立教授团队的研究成果创制出一类被称为“MOF玻璃泡沫”的新型膜材料，在具有发达孔道的同时，保留了材料的超微孔特性，可兼具高分离选择性和超高气体通量，同时拥有泡沫和玻璃的优点并具有良好的机械性能，展现出广阔的工业应用前景。
         本研究提出了“聚合物热分解辅助的MOF熔融”策略，制备出厚度在200到330 µm的自支撑MOF玻璃泡沫膜。通过调控聚合物的分子量等参数，使ZIF-62熔融先于聚合物分解发生。随后，聚合物热分解产生的气体分子脱附，产生大量的泡沫结构，最终形成孔道结构发达且富含金属空位的自支撑ZIF-62玻璃泡沫膜（图1）。

图1、自支撑ZIF-62玻璃泡沫膜形成过程示意图

          CH4/N2是一种看似简单但物化性质极其接近的难分离体系，作为石化行业最重要、最耗能的分离过程之一，目前主要采用低温精馏技术。膜分离为新型高效节能分离技术，有望在该方面发挥重要作用。本研究制备的自支撑ZIF-62玻璃泡沫膜具有丰富的金属空位，强化了CH4吸附作用，在保持CH4/N2高选择性的同时（图2），气体通量较现有膜材料提高约两个数量级（30,000~50,000 GPU），工业应用前景十分广阔。目前，该成果形成的专利技术已实现转让，正在进行工程放大研究。

图2、自支撑ZIF-62玻璃泡沫膜高倍透射电镜图及CH4/N2分离性能对比图

          本研究的三位共同第一作者分别为我校材料科学与工程学院博士生杨紫博、穆罕默德六世大学Belmabkhout教授和剑桥大学McHugh博士，我院乔志华研究员、M. D. Guiver教授（天津大学）和我院仲崇立教授为共同通讯作者，研究受到国家重点研发项目（2021YFB3802200）和国家自然科学基金重点、专项、面上项目（22038010，22141001，21875161和22122810）资助。
          文章来源：天津工业大学
       仲崇立，博士，教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，天津工业大学教授。研究方向：（1）针对纳米材料研究的需要，进行新概念/方法建立、理论与模拟方法改进，丰富纳米材料领域的理论与分子模拟方法； （2）采用分子模拟与量化计算等方法，进行MOF（metal-organicframeworks）新型材料的储气、分离与催化等特性研究，为MOF 材料开发提供理论指导；（3）进行新型纳微结构材料的设计、合成与性能研究，特别是用于CO2捕获及工业气体分离的应用基础研究。