基于PDA/APTES修饰氧化铝载体的原位合成ZIF-8膜及其氢气分离性能优化研究

推荐 为解决传统氢气分离技术能耗高、效率低的问题，研究人员开发了一种基于PDA/APTES修饰氧化铝载体的ZIF-8膜。该膜在25℃和0.2 MPa条件下实现了H2/CO2选择性20.3、H2/N2选择性22.1和H2/CH4选择性26.8，H2渗透率达14×10-7 mol·Pa-1·m-2·s-1，显著提升了分离性能与稳定性，为低碳能源技术提供了新方案。

　　

论文解读
在全球能源转型与碳中和目标驱动下，高效氢气分离技术成为研究热点。传统分离方法如深冷精馏和变压吸附虽有效，但存在能耗高、成本昂贵等问题，难以满足大规模工业化需求。金属有机框架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）因其高比表面积、可调孔径及化学稳定性备受关注，其中沸石咪唑酯骨架结构材料-8（Zeolitic Imidazolate Framework-8, ZIF-8）凭借其类沸石结构、优异热稳定性和对氢气的高选择性，成为最具潜力的候选材料之一。然而，ZIF-8膜在支撑体表面的连续致密化制备仍是重大挑战。传统原位生长法易导致膜层厚度不均、孔隙率高，影响分离效率。为此，来自中国的研究人员提出一种创新策略，通过聚多巴胺（Polydopamine, PDA）与3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-Aminopropyltriethoxysilane, APTES）复合修饰氧化铝（Al₂O₃）载体，成功实现高质量ZIF-8膜的原位合成，并系统评估其氢气分离性能与长期稳定性。

研究人员采用PDA/APTES复合修饰层优化载体表面特性。PDA的黏附性与丰富的酚羟基、氨基为MOF成核提供活性位点，而APTES的硅烷基团通过Si-O-Metal键增强界面结合力，二者协同作用显著提升膜层均匀性与机械强度。实验表明，经12小时优化的原位生长过程后，所得ZIF-8膜呈现致密无缺陷结构，在25℃、0.2 MPa条件下，H₂渗透率达14×10^-7 mol·Pa^-1·m^-2·s^-1，H₂/CO₂选择性达20.3，较纯PDA修饰层提升14.8%，选择性更是提高近三倍。此外，长期稳定性测试显示该膜在连续运行中保持优异性能，证实其实际应用潜力。

研究结果揭示了PDA/APTES复合修饰策略的多重优势。首先，PDA的黏附特性与APTES的化学键合作用协同增强载体表面功能化程度，形成高密度活性位点，促进ZIF-8晶体的均匀成核与生长。其次，复合层的热稳定性显著优于单一PDA修饰层，可耐受高温处理而不发生结构坍塌。最后，优化后的膜层厚度均匀性通过扫描电子显微镜（SEM）与X射线衍射（XRD）表征得到验证，确保气体分子仅能通过ZIF-8微孔扩散，从而实现高效分离。

结论表明，PDA/APTES修饰策略为MOF膜的工业化制备提供了新思路。该技术不仅提升了ZIF-8膜的分离效率与稳定性，还降低了能耗与成本，对推动氢能经济发展具有重要意义。未来研究可进一步探索不同金属离子与配体组合，拓展MOF膜在多组分气体分离中的应用范围。

主要技术方法
研究人员采用聚多巴胺（PDA）与3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）对氧化铝（Al₂O₃）载体进行复合修饰，通过优化原位生长条件合成ZIF-8膜，并利用气体渗透测试与长时间稳定性评估验证其性能。