基于物理限域与密封技术协同调控的氢选择性ZIF膜：气体特异性可调设计

（编辑推荐）本研究创新性地结合氟化聚合物密封与等离子体处理技术，通过石墨烯纳米带（GNR）物理限域和超薄全氟聚醚（PFPE）层精准封堵晶界缺陷，实现ZIF-8膜对H2的高效筛分（H2/N2选择性达209，H2/CH4选择性达1218），突破传统MOF膜性能瓶颈，为氢能经济中的气体纯化提供新策略。

　　

Abstract

多晶金属有机框架（MOF）膜中的晶界缺陷严重制约气体分离性能。本研究提出一种结合氟化聚合物密封与反应离子等离子体处理的协同调控策略，通过物理手段精确调控沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）膜的渗透行为。特别针对与石墨烯纳米带（GNR）杂化的ZIF-8膜（本征孔径3.4 ?），该密封技术可依据目标气体对灵活调整：超薄全氟聚醚（PFPE）层通过浸涂法形成，有效阻断大分子通过非选择性晶界，实现H₂渗透率1.3×10^?6 mol·m^?2·Pa^?1·s^?1和H₂/N₂理想选择性209；进一步等离子体处理可增强密封层氟化程度，使H₂/CH₄选择性提升至1218。分子动力学模拟揭示了晶界间隙对选择性的关键影响。

1 Introduction

高纯度氢在未来氢能经济中至关重要，而传统MOF膜因晶界缺陷难以实现高效分离。ZIF-8因其可调孔径（3.4-4.0 ?）和化学稳定性成为理想候选材料。本研究通过三重协同策略：（1）GNR物理限域稳定ZIF-8骨架；（2）PFPE超薄层密封晶界；（3）等离子体诱导氟化，实现H₂/N₂和H₂/CH₄的特异性分离。

2 Results and Discussion

晶界调控：通过热还原GONR调控ZIF-8晶粒尺寸（200-700 nm），发现晶界面积与H₂/N₂选择性呈负相关（图2）。密封技术：PFPE层（65 nm）通过疏水作用自组装覆盖晶界，水接触角提升（图3），XPS证实等离子体处理后CF₂基团增加（图3d）。性能优化：SP20_ZIF-8膜在混合气测试中展现H₂/CH₄分离因子430，远超2019年上限（图4）。分子模拟：Gap 8模型中N₂扩散速率骤增，证实晶界是性能劣化的主因（图5）。

3 Conclusion

该工作通过GNR限域、PFPE密封与等离子体氟化的级联调控，创制出兼具高选择性与渗透性的ZIF-8膜，为工业级氢纯化提供了可扩展的解决方案。

4 Experimental Section

膜制备：GONR真空过滤沉积后热还原，ZIF-8水热生长（2-MIM/Zn=44.5:1）。功能化：PFPE浸涂（50 mm/min）联合O₂/CF₄等离子体处理（20 W, 0.2 torr）。模拟方法：采用Dreiding力场进行MD模拟，量化晶界间隙（0-8 ?）对气体扩散的影响。

（注：全文严格依据原文数据，未添加主观推论；专业术语如PFPE、GNR等均保留英文缩写；上下标格式按原文规范呈现。）