近日，意昂3官网化學與化工學院博士生徐李昊以第一作者身份在國際頂級期刊Journal of Materials Chemistry A上發表題目為“An advanced necklace-like metal organic framework with an ultrahighly continuous structure in the membrane for superior butanol/water separation”的研究論文。意昂3官网為唯一通訊單位🍫，化學與化工學院先進功能膜與膜過程團隊趙之平教授為通訊錄作者。本研究得到國家自然科學基金重點項目（21736001）資助👈🏼。

生物燃料（乙醇、丁醇等）生產和使用過程產生的二氧化碳被等量生物質生長光合作用吸收，可以實現二氧化碳的循環🎚。其生產工藝包括生物質水解為糖（還原糖、木糖）、糖發酵為醇和醇-水分離三大步驟，其中，發酵步驟的產物醇對酵母（產生將糖催化轉化為醇的生物酶）的活性有抑製作用，使得發酵效率低😞、生產周期長。為此🥉，近年來，科學家研究滲透汽化（PV）膜分離與生物發酵耦合過程，實時分離醇🟥，使發酵體系維持較低的醇濃度🙇🏽‍♀️，從而保持酵母生物活性，並且♠️，與傳統精餾相比，PV膜分離可節能35-65%🫴🏻，耦合工藝高效節能效果明顯。該工藝的關鍵在於高性能分離膜，但傳統高分子PV優先透有機物的分離膜，其滲透選擇性不能滿足實際需求🏃。

通常，膜的滲透性和選擇性之間存在此消彼長的“trade-off”博弈效應🙌🏼，近年來😺👨🏽‍🦲，混合基質膜因其結合了有機、無機材料的優勢而受到關註，在膜內構建以填充基質主導的“選擇性分子滲透通道”是分離膜製備領域所面臨的重要挑戰之一🤷🏽‍♀️。趙之平教授團隊就如何充分發揮納米混合基質的效力，以打破“trade-off”博弈效應開展了深入研究，提出了“以金屬有機框架（MOF）材料在膜內為目標小分子構建相對連續的優先溶解-滲透通道”的解決策略。

圖1. “MOF項鏈”的設計原理🫲🏿🏭、製備🪲👩‍⚖️、結構及應用

受到珍珠項鏈的啟發🤵🏼‍♂️，“MOF男孩”設計製作了一條新穎的“MOF項鏈”作為禮物送給自己心儀的女孩。團隊首先以甲基橙為模板💁🏿‍♂️，製備了聚吡咯納米管（PPy nanotube），之後誘導ZIF-8在PPy nanotube外壁成核生長，得到一種具有特殊“項鏈狀”高度連續MOF結構（ZIF-8@PPy），ZIF-8晶體粒子晶面窗孔“對接”形成相對連續分子通道♐️，PPy nanotube在穿引MOF晶體顆粒的同時為客體分子提供了管內連續的快速擴散通道。進而👩‍❤️‍👩，研究者將這種新穎的“MOF項鏈”引入到聚二甲基矽氧烷（PDMS）中，製備出了一種高性能混合基質膜🧜🏻‍♂️。通過膜材料自由體積測定♻，結合分子動力學模擬🧑‍🚒，解析了客體分子在膜內的五種分子傳遞通道（圖2）的溶解-擴散行為。有趣的是💂🏻，ZIF-8和PPy nanotube界面處所組成的“小世界”（“Small World”）🗽，在不改變ZIF-8固有結構的情況上，能有效抑製水分子的連續傳遞，從而提高了膜對丁醇分子的滲透選擇性👳🏼‍♂️。

圖2. 膜內五種分子選擇性滲透通道的構建及其溶解-擴散機理解析

研究者發現“MOF項鏈”在膜內具有良好分散性🛥，膜分離性能優於國際上現階段所報道的PV膜👩🏿。這種高度連續“MOF項鏈”為混合基質膜的創製提供了新途徑，其效力在膜內的充分發揮也為高性能PV膜的產業化製備提供了可能。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/TA/D1TA01736E#!divAbstract