近日，乐动（中国）化学与化工学院博士生徐李昊以第一作者身份在国际顶级期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题目为“An advanced necklace-like metal organic framework with an ultrahighly continuous structure in the membrane for superior butanol/water separation”的研究论文。乐动（中国）为唯一通讯单位，化学与化工学院先进功能膜与膜过程团队赵之平教授为通讯录作者。本研究得到国家自然科学基金重点项目（21736001）资助。

生物燃料（乙醇、丁醇等）生产和使用过程产生的二氧化碳被等量生物质生长光合作用吸收，可以实现二氧化碳的循环。其生产工艺包括生物质水解为糖（还原糖、木糖）、糖发酵为醇和醇-水分离三大步骤，其中，发酵步骤的产物醇对酵母（产生将糖催化转化为醇的生物酶）的活性有抑制作用，使得发酵效率低、生产周期长。为此，近年来，科学家研究渗透汽化（PV）膜分离与生物发酵耦合过程，实时分离醇，使发酵体系维持较低的醇浓度，从而保持酵母生物活性，并且，与传统精馏相比，PV膜分离可节能35-65%，耦合工艺高效节能效果明显。该工艺的关键在于高性能分离膜，但传统高分子PV优先透有机物的分离膜，其渗透选择性不能满足实际需求。

通常，膜的渗透性和选择性之间存在此消彼长的“trade-off”博弈效应，近年来，混合基质膜因其结合了有机、无机材料的优势而受到关注，在膜内构建以填充基质主导的“选择性分子渗透通道”是分离膜制备领域所面临的重要挑战之一。赵之平教授团队就如何充分发挥纳米混合基质的效力，以打破“trade-off”博弈效应开展了深入研究，提出了“以金属有机框架（MOF）材料在膜内为目标小分子构建相对连续的优先溶解-渗透通道”的解决策略。

图1. “MOF项链”的设计原理、制备、结构及应用

受到珍珠项链的启发，“MOF男孩”设计制作了一条新颖的“MOF项链”作为礼物送给自己心仪的女孩。团队首先以甲基橙为模板，制备了聚吡咯纳米管（PPy nanotube），之后诱导ZIF-8在PPy nanotube外壁成核生长，得到一种具有特殊“项链状”高度连续MOF结构（ZIF-8@PPy），ZIF-8晶体粒子晶面窗孔“对接”形成相对连续分子通道，PPy nanotube在穿引MOF晶体颗粒的同时为客体分子提供了管内连续的快速扩散通道。进而，研究者将这种新颖的“MOF项链”引入到聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，制备出了一种高性能混合基质膜。通过膜材料自由体积测定，结合分子动力学模拟，解析了客体分子在膜内的五种分子传递通道（图2）的溶解-扩散行为。有趣的是，ZIF-8和PPy nanotube界面处所组成的“小世界”（“Small World”），在不改变ZIF-8固有结构的情况上，能有效抑制水分子的连续传递，从而提高了膜对丁醇分子的渗透选择性。

图2. 膜内五种分子选择性渗透通道的构建及其溶解-扩散机理解析

研究者发现“MOF项链”在膜内具有良好分散性，膜分离性能优于国际上现阶段所报道的PV膜。这种高度连续“MOF项链”为混合基质膜的创制提供了新途径，其效力在膜内的充分发挥也为高性能PV膜的产业化制备提供了可能。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/TA/D1TA01736E#!divAbstract