近日，团队负责人潘勤鹤教授和骨干成员任国建副教授携手东北师范大学朱广山教授（国家杰青/长江学者）、邹小勤教授等人在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Organic-Acid-Mediated Growth of Oriented Membrane from 2D-Structured Zirconium MOF for CO₂ Separation (https://doi.org/10.1002/anie.202519421)”的研究论文，团队2024届硕士毕业生林泳慧为论文第一作者（共同），团队负责人潘勤鹤教授为论文的共同通讯作者，团队骨干成员任国建副教授参与论文发表。

膜分离技术作为一种节能高效的气体分离方法，在CO₂捕集与碳中和领域具有广阔的应用前景。与传统热过程相比，该技术具备能耗低、操作简便等优势。其中，膜材料是分离膜的核心组成部分。在众多材料中，金属有机框架（MOFs）因其结构多样、孔道可调，能够实现精准的分子筛分，从而受到广泛关注。二维结构MOFs作为新兴材料，兼具MOFs固有的气体识别能力与短路径扩散带来的高渗透性，已在MOF基膜体系中展现出优异性能。

目前，二维MOF膜的制备主要采用后层叠法和直接溶剂热法。后层叠法通过剥离块体MOF获得纳米片并重新堆叠成膜，虽操作简便，但剥离过程易导致纳米片破碎和结构损伤，影响膜性能。溶剂热法则在多孔基底上直接生长二维MOF膜，其结晶过程具备自纠错能力，可形成连续、结晶度高的膜层，从而充分发挥结构优势。然而，文献调研显示，目前关于直接合成二维MOF膜用于CO₂/N₂分离的研究，在成核与生长调控方面仍面临严峻挑战。

本研究开发了一种有机酸介导的转化策略，可将预合成的金属有机凝胶（MOG）直接转化为二维MOF定向膜。该方法以锆（Zr）为金属节点、三羧酸（H₃TCA）为平面构型配体，首先构建含Zr₆团簇的MOG前体；随后在甲酸调控下，MOG解离并重构为膜，有机酸有效延缓过早结晶并促进MOF晶体共生，实现成核生长与膜形成的良好平衡。所得Zr-TCA膜具有高结晶度与结构均一性，其氮功能化孔道呈垂直有序排列，在0.12 MPa和25 °C条件下表现出优异的CO₂/N₂分离性能：CO₂渗透速率为1857.3 GPU，CO₂/N₂选择性达39.2。

图1. a) 在结晶时间分别为3、6、9、12、24和48小时的Zr-TCA膜的SEM图像。插图是放大的SEM图像。b) 不同阶段HCOOH介导的MOG转化为膜状MOF的示意图。C、O、N和Zr原子分别由灰色、红色、蓝色和青色球体表示。

图2. a) 独立Zr-TCA膜的照片。b) Zr-TCA膜的顶视图和c) 侧视图SEM图像（(b)中的插图是放大的SEM图像）。d) Zr-TCA膜的TEM图像和e) HR-TEM图像（(e)中的插图是快速傅里叶变换（FFT）图像和Zr-TCA的晶体结构）。

图3. a) Zr-TCA膜在0.12 MPa和25 °C下的单组分和二元（体积比1/1）气体渗透速率及CO₂/N₂选择性。在不同b) 温度（0.12 MPa）、c) 进料压力（25 °C）和d) 时间（0.12 MPa和25 °C）下测量的CO₂和N₂渗透速率及CO₂/N₂选择性。e) Zr-TCA膜与文献中报道的其他多晶MOF膜分离性能的比较（灰线为最新的上限，灰色阴影为工业应用目标区域）