金属有机多面体构建高负载混合基质膜实现氦气分离性能突破

　　针对聚合物膜气体分离中渗透性与选择性难以兼得的trade-off效应，研究人员将离散型金属有机多面体（Zr-MOP）以50 wt%超高负载量引入聚苯并咪唑（OPBI）基质，经600°C热处理获得无缺陷混合基质膜（MMMs）。该膜展现785的He/CH4 选择性和147 Barrer氦渗透率，较原始膜提升4倍，兼具高压稳定性和长效耐久性，为氦资源绿色高效回收提供新策略。

　　

氦气作为不可替代的战略资源，在航天、医疗（NMRI）等领域具有关键作用。目前工业上主要通过天然气中提取氦气，依赖高能耗的深冷蒸馏技术，能耗成本居高不下。膜分离技术虽能降低90%能耗，但传统聚合物膜面临渗透性与选择性相互制约的"trade-off"难题，而无机膜又存在加工性差的问题。混合基质膜（MMMs）通过将多孔填料与聚合物复合，有望突破这一瓶颈。金属有机框架（MOFs）作为常用填料，在负载量超过40 vol%时易出现界面缺陷。相比之下，金属有机多面体（MOPs）具有离散分子结构，更易实现高负载分散，但相关研究仍属空白。

中国科学院团队在《Journal of Membrane Science》发表研究，创新性地采用锆基MOP（ZrT-1-NH₂
）替代传统MOFs填料，与聚苯并咪唑（OPBI）复合制备混合基质膜。通过高温热处理工艺，成功实现50 wt%超高填料负载，创制出兼具优异选择性和渗透性的气体分离膜。研究采用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征材料结构，通过气体渗透测试系统评估分离性能，并利用长期稳定性实验验证膜的工业应用潜力。

【材料特性】对比锆基MOF（Uio-66-NH₂
）的连续多孔结构，Zr-MOP呈现离散笼状分子结构（图1a-b），XRD证实其高结晶度。TEM显示Zr-MOP在聚合物基质中分散均匀，未出现MOFs常见的团聚现象。

【膜性能优化】经600°C热处理的Zr-MOP_{50 wt%}
@OPBI₆₀₀
膜形成完美致密结构，MOPs有效阻止OPBI基质过度坍塌。气体测试显示He/CH₄
选择性达785，H₂
/CH₄
选择性高达2065，同时保持147 Barrer（He）和387 Barrer（H₂
）的高渗透率，性能远超原始OPBI膜。

【稳定机制】高压测试表明该膜在20 bar压力下保持稳定通量，连续运行500小时未出现性能衰减。研究发现MOPs的分子级分散特性与OPBI碳化形成的分级孔结构协同作用，是实现高稳定性的关键。

该研究突破性地证明离散型MOPs在高负载MMMs中的独特优势：分子级分散性解决传统MOFs界面缺陷问题，50 wt%超高负载量创下同类材料记录；热诱导碳化工艺创新性地构建出无缺陷选择层。研究成果不仅为氦气高效回收提供新型膜材料，更开创了MOPs在膜分离领域的研究范式。论文通讯作者Shuangjiang Luo和Linglong Shan指出，该技术路线可拓展至其他高附加值气体分离体系，具有显著的工业应用前景。研究获得中国科学院青年团队稳定支持项目（YSBR-017）和国家自然科学基金（22322801）资助。