高压下耐用的碳氢化合物分离纳米片连接金属有机膜

金属有机框架（MOF）膜在分子分离领域潜力巨大，但其晶界处的弱相互作用（主要为范德华力和氢键）导致机械脆性，难以在高压条件下稳定运行。外部压力会使应力沿晶界积累，引发膜结构开裂或变形，进而丧失分离选择性。为解决这一问题，研究团队受深海生物乌贼骨“壁-腔”结构的启发，提出了纳米片桥连策略，研发出纳米片桥连MOF膜（NB-MOFs）。

乌贼骨的独特结构中，水平排列的刚性壁桥连众多腔体，能在高压下分散应力、减少集中，从而增强结构抗性。研究人员模仿这一结构，将具有高孔隙率的氧化石墨烯纳米片（PGO）作为人工“刚性壁”，通过电化学共组装方法掺入MOF膜中。PGO纳米片表面的含氧官能团（如羟基、羧基）与MOF晶粒中的金属离子形成强化配位键，桥连柔软的MOF晶粒，构建额外的能量耗散途径，有效分散外部压力下晶界积累的应力，防止结构开裂并提升膜的机械稳健性。

实验表明，PGO纳米片具有高长径比（>1000）和丰富的纳米孔，能快速吸附MOF前驱体离子，促进膜的快速组装。通过调控纳米片的形貌和含量，优化后的NB-ZIF-8膜机械性能显著提升：杨氏模量增加32%，硬度提高2.36倍，弯曲测试中也能保持结构完整。在气体分离性能上，该膜在1.1巴压力下对C3H6/C3H8的分离因子达273，C3H6渗透通量130.5GPU；即使在7巴的工业相关压力下，连续运行300小时后分离因子仍保持240以上，耐压性高达50巴，远超传统ZIF-8膜。此外，该策略还成功应用于ZIF-67膜及商业聚合物支撑的MOF膜，显示出良好的普适性。

这项研究不仅为解决MOF膜的高压脆性问题提供了新思路，还为开发耐用晶体膜材料、推动其在实际工业分离中的应用奠定了基础。