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金属有机框架纳米材料在气体分离膜中的选择性吸附机制1

金属有机框架纳米材料在气体分离膜中的选择性吸附机制

摘要

金属有机框架（MOFs）纳米材料作为一类新型多孔材料，在气体分离膜领域展现

出巨大潜力。本报告系统分析了MOFs纳米材料在气体分离膜中的选择性吸附机制，

从材料结构特性、吸附动力学、热力学行为等多维度深入探讨了其分离性能的影响因

素。研究表明，MOFs材料的可调控孔道结构、高比表面积以及功能化修饰能力使其在

CO/N、CH/H、CH/CH等工业重要气体分离体系中表现出优异的选择性和渗透

性。报告结合必威体育精装版研究成果，提出了基于分子模拟和实验验证相结合的研究方法，构建

了MOFs气体分离膜性能预测模型，为高性能分离膜的设计与开发提供了理论依据和

技术路线。本报告还分析了当前研究面临的技术挑战，并提出了相应的解决方案和发展

方向，对推动MOFs材料在工业气体分离领域的应用具有重要指导意义。

引言与背景

1.1研究背景与意义

气体分离技术在能源、环境和化工领域具有战略重要性。据统计，全球工业气体分

离市场规模在2022年已达到320亿美元，预计到2030年将增长至580亿美元，年复

合增长率约为6.8%。传统分离技术如深冷分离、吸收法和吸附法存在能耗高、设备复

杂等缺点，而膜分离技术因其能耗低、操作简单、环境友好等优势受到广泛关注。然而，

传统聚合物膜面临渗透性选择性权衡限制（Robeson上限），难以满足日益增长的工业

需求。

金属有机框架材料（MOFs）作为由金属离子或簇与有机配体通过配位键自组装形

成的晶态多孔材料，具有比表面积高（可达7000m²/g）、孔道结构可调、孔径范围广

（0.35nm）等独特优势。这些特性使MOFs在气体分离领域展现出巨大潜力。特别是将

MOFs纳米材料引入分离膜中，可以显著改善膜的选择性和渗透性，突破传统聚合物膜

的性能限制。

1.2国内外研究现状

国际上，MOFs气体分离膜研究始于2000年代初，Yaghi、Ferey等研究团队在

MOFs材料设计与合成方面做出了开创性工作。近年来，美国、德国、日本等国家在

MOFs膜制备和性能优化方面取得重要进展。例如，美国加州大学伯克利分校开发的

ZIF8膜在CH/CH分离中表现出优异性能，选择性达到30以上，渗透率超过200

Barrer。

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国内研究起步较晚但发展迅速。中国科学院、浙江大学、天津大学等机构在MOFs

膜制备和应用方面取得显著成果。根据《中国新材料产业发展报告（2022）》，我国MOFs

相关专利申请量已占全球总量的35%，位居世界第一。特别是在MOFs膜规模化制备

技术方面，国内团队开发的二次生长法、原位生长法等制备工艺已达到国际先进水平。

1.3研究目标与内容

本报告旨在系统分析MOFs纳米材料在气体分离膜中的选择性吸附机制，主要研

究内容包括：

1.MOFs材料结构与气体吸附性能的关系

2.MOFs膜中气体传输动力学行为

3.MOFs功能化对分离性能的影响机制

4.MOFs复合膜界面工程与性能优化

5.MOFs膜工业化应用面临的挑战与解决方案

通过这些研究，为高性能MOFs气体分离膜的设计与开发提供理论指导和技术支

持，推动我国在高端分离膜领域的自主创新。

研究概述

2.1研究范畴界定

本报告聚焦于金属有机框架纳米材料在气体分离膜中的应用基础研究，主要关注

以下三个层面的科学问题：

1.微观层面：MOFs孔道内气体分子的吸附行为、扩散机制以及与孔壁的相互作用

2.介观层面：MOFs纳米颗粒在膜基质中的分散状态、界面结构及其对气体传输路

径的影响

3.宏观层面：MOFs膜的分离性能评价、稳定性测试以及与工业应用要求的匹配性

研究体系主要包括：

目标气体：CO、N、CH、H、CH、CH等工业重要气体

MOFs材料：ZIF系列、MIL系列、UiO系列等代表性MOFs及其衍生物

膜类型：纯MOFs膜、MOFs聚合物混合基质膜、MOFs陶瓷复合膜

金属有机框