金属有机框架材料（MOF）是一类新型的有机-无机杂化多孔晶体材料，具有高比表面积、孔容、孔隙率和孔径可调等特性，在氢气、甲烷和二氧化碳等气体的吸附分离领域受到了广泛关注。近年来很多MOF或MOF/聚合物复合气体分离膜不断的被设计与开发出来，然而这些膜材料很难同时兼有气体的高渗透性和高选择性，而且以氧化铝陶瓷管为载体制备的MOF基分离膜很容易产生缺陷，从而很难起到分离的效果，这些缺点都使得MOF基分离膜无法得到实际应用。最近宁波材料所所属新能源所科研人员首次将MOF与有机硅烷复合，成功设计与制备出了一系列具有高通量及高选择性的复合气体分离膜。


图1. MOF/有机硅复合膜示意图及其对H₂、CO₂与CH₄等气体的分离性能

在前期研究中，林贻超博士与陈亮研究员分析与总结了不同MOF对于CO₂与CH₄的选择吸附特性（Advanced Energy Materials 2017, 7, 1601296），并基于此选择了CAU-1、MIL-53-NH₂和ZIF-8等三种代表性MOF用于气体复合分离膜的制备。在本研究中，陈亮研究员、孔春龙研究员与美国德克萨斯大学陈邦林教授合作，通过水解1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷制备得到有机硅烷, 利用有机硅烷具有良好热稳定性、可调孔径以及与氧化铝陶瓷管之间强相互结合力等特性，与MOF材料复合制备了超薄（<200 nm）杂化膜。研究表明该类MOF复合膜的气体分离性能直接取决于MOF结构的气体吸附性能，其中ZIF-8复合膜拥有优异的H₂选择分离性能，在常温条件下H₂/CH₄ （1:1混合气）选择性可达到26.5，同时H₂通量可保持在1.06×10 ^-6 mol?m ^-2 ?s ^-1 ?Pa^-1 ，而MIL-53-NH₂复合膜则拥有优异的CO₂选择分离性能，其CO₂/CH₄（1:1混合气）选择性可达到18.2，CO₂的通量仍然保持在1.44×10 ^-7 mol?m ^-2 ?s ^-1 ?Pa^-1。相关研究成果以“Nanoscale MOF/Organosilica Membrane on Tubular Ceramic Substrate for Highly Selective Gas Separation”为题发表在Energy & Environmental Science（2017, DOI: 10.1039/C7EE00830A）上。
上述工作得到了国家基金委面上项目、浙江省自然基金委杰出青年基金、中科院青年创新促进会与宁波市创新团队的大力支持。
（新能源所 杜红斌）