近日，我校化工學院徐至教授等提出了一種通過分子靜電錨定配體旋轉來強化CO2/N2篩分的策略。研究人員利用靜電分子，錨定ZIF-8中配體的旋轉，構建了剛性均一的氣體分子傳輸通道，實現了CO2和N2分子的精準篩分。相關成果以“金屬有機框架中靜電錨定柔性配體的旋轉使CO2/N2高效分離”為題發表在《德國應用化學》上。
近年來，金屬有機骨架(MOF)材料因其孔徑均勻、尺寸可調等優點而成為氣體分離領域的研究熱點。然而，MOF材料的框架柔性，如配體的不可控旋轉，導緻的較大孔道範圍使其在小分子氣體分離中選擇性較低，難以實現高效的精準篩分。因此，設計抑制MOF框架柔性，構建剛性孔道的新方法是制備下一代高性能膜的迫切需求。
圖片說明：配體旋轉錨定ZIF-8的形貌、結構表征
該工作通過三氟乙酸鹽與ZIF-8中配體的靜電作用實現配體旋轉的錨定。N2吸附等溫線測試結果表明ZIF-8氣體吸附過程中的配體旋轉産生的“呼吸效應”被顯著抑制。配體錨定導緻的均勻配體定向産生了新的11.1°的XRD衍射峰。進一步的DFT理論計算表明三氟乙酸根優先在ZIF-8中的六元窗口與配體作用，并在窗口中心位置達到熱力學穩定狀态。ZIF-8配體的錨定構建了3.4 Å的孔道尺寸。
圖片說明：配體旋轉錨定前後ZIF-8的CO2/N2吸附和膜分離性能對比
配體旋轉的錨定使ZIF-8的CO2/N2吸附選擇性從14.02提高至332.86。在吸附測試壓力範圍内沒有觀察到明顯的N2吸附，進一步用耗散型石英晶體微天平吸附測試驗證了錨定後ZIF-8窗口對N2的阻隔作用。相應的膜分離應用表明，相比于ZIF-8複合膜，配體旋轉錨定ZIF-8複合膜的選擇性提高了2倍。此外，三氟乙酸根增強了錨定後MOF與聚合物基質間的相互作用，提高了MOF孔道的利用率，實現了通量和選擇性的同步提高。
圖片說明：配體旋轉錨定ZIF-8複合膜的氣體分離性能
配體旋轉錨定ZIF-8複合膜的性能超過了目前已報道的大多數分離膜。進一步對比了以聚合物基質為基準的分離性能增強比例，配體旋轉錨定ZIF-8的引入将聚合物膜的通量提高了1倍，選擇性提高了近3倍。該工作為在柔性MOF中錨定配體旋轉，實現精準分子篩分提供了新的思路。
該研究工作第一作者為我校化工學院2018級博士研究生渠凱和南京工業大學特聘教授黃康。通訊作者為化工學院徐至教授。該研究工作得到了我校郭旭虹教授和練成特聘研究員的大力支持，并得到了國家重點研發計劃和自然科學基金的資助。
原文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202213333