【Angew.Chem.】 氨气调控助力实现 122 倍氢/氮分离性能的新型 MOF 膜研究

文章标题：Ammonia‐Induced Metal–Organic Framework Membrane Pore Tuning for Hydrogen Separation
通讯作者：Ki Chul Kim, Kiwon Eum, Dae Woo Kim
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.2261249

文章概要

引言

氢能被视为未来可持续能源体系的核心，而高纯度氢气的分离与提纯是氢能应用的关键环节。金属有机框架（MOF）膜因其晶体孔结构和高选择性而备受关注。然而，要实现高效氢气分离，需要对 MOF 的孔径进行精细调控。传统方法多依赖于配体修饰或外部物理作用，而本研究提出了一种全新的思路：利用氨气这一通常被视为有害杂质的分子，作为调控剂来改变 MOF 膜的结构与性能。

主要实验及结论

研究团队选择 ZIF-8 膜作为模型体系，系统考察了氨气对其结构与气体分离性能的影响。实验发现，氨气与 ZIF-8 框架中的 Zn²⁺ 位点发生强烈作用，导致膜表面部分无序化，同时邻近区域则表现出刚性化。这种双重效应使得膜的气体传输机制由柔性转向固有选择性，从而显著提升了氢/氮分离性能。

在优化条件下，氨气处理后的 ZIF-8 膜实现了 H₂ 渗透率 1.26 × 10⁻⁷ mol/m²·Pa·s，以及 理想 H₂/N₂ 选择性 122.39，远超未处理膜的性能。进一步的分子动力学模拟揭示了氨气与框架的相互作用机理，证实了氨气诱导的 Zn–N 键弱化与孔径收缩是提升选择性的关键因素。

此外，研究还通过 SEM、XRD、XPS、FT-IR 等多种表征手段，确认氨气处理主要作用于膜表面，而内部结构保持相对完整。这种表面刚性化与内部柔性共存的多层结构，使得膜在氢/氮分离中表现出优异性能，同时保持对丙烯/丙烷分离的选择性。

总结及展望

本研究首次提出利用氨气作为 MOF 膜的后合成调控剂，将传统意义上的有害杂质转化为性能提升的工具。这一策略不仅显著提高了氢/氮分离性能，还为 MOF 膜在实际工况下的应用提供了新的思路。未来，类似的反应性小分子（如水或胺类）也可能被用于调控 MOF 的结构与性能。

该工作为氢能产业中的膜分离技术提供了新的方向，展示了通过分子层面调控 MOF 柔性与孔径的可能性。随着进一步的优化与稳定性研究，这一方法有望推动高性能氢分离膜在工业化中的应用。