中山大学《自然·材料》：具有中间尺寸筛分效应的MOF
更新日期：2019-07-19分子筛由于通过尺寸限制机制将所有较大的分子完全排除在外，因此具有超高的选择性和较低的再生能量。然而，它可以吸附所有小于孔径的分子，因此复杂混合物分离效果不佳。
近日，中山大学张杰鹏带领的研究团队报道了一种具有中间尺寸筛分（iSMS）效应的金属有机框架（MAF-41），更大或更小的分子均无法通过MOF孔道。同时该MOF具有超疏水性和超高的热/化学稳定性。相关研究成果“Intermediate-sized molecular sieving of styrene from larger and smaller analogues”于7月15日在线发表在《自然·材料》期刊上（Nat. Mater., 2019, DOI: 10.1038/s41563-019-0427-z）。
1.MAF-41可以实现苯乙烯的选择性吸附，完全排除了较大的乙苯（超过了最大孔径大小）和较小的甲苯/苯分子（没有足够的吸附能来打开腔）。混合吸附实验表明，苯乙烯分离选择性在乙苯/苯乙烯混合物中达1250，乙苯/苯乙烯/甲苯/苯混合物中苯乙烯选择性达3300，，比前人报道值高几个数量级。在单次吸附-解吸循环中，可产生纯度为99.9%+的苯乙烯。
2. MOF结构有一定的柔性，因此孔道有一定的变化范围。在MOF吸附相应分子时，都有一定的热量放出，且热量放出与分子尺寸成正相关性。作者通过设计恰到好处的MOF结构，有合适的结构柔性，只有苯乙烯吸附的时候释放的能量足以打开MOF孔道，而更小的分子吸附能太小而不能“芝麻开门”从而实现筛分。
3. 该MOF材料能稳定至500℃，且有超疏水性能。
图1：a图示传统的分子筛分过程，大分子因为动力学限制无法通过孔道，而小分子却都能发生吸附。
b图显示中间尺寸筛分效应的基本原理。恰到好处的MOF柔性结构可以在开与闭合两种状态下切换。大分子在开启状态下也无法通过，而小分子的阻挡实现却是通过主客体相互作用不足，吸附放热过小，不足以将MOF孔道从关闭切换到开启状态。
图2：混合物分离性能。