多晶MOF膜晶间缺陷的加压逆扩散二次生长修复技术及其在分子筛分中的应用

为解决多晶MOF（金属有机框架）膜因晶间缺陷导致的选择性下降和稳定性不足问题，研究人员开发了加压逆扩散二次生长（PCDP）技术。该技术通过调控前驱体扩散与晶体生长，实现了缺陷的靶向修复，使ZIF-8膜的H2/N2选择性提升16倍至41.3，缺陷体积减少91%。这一突破为高性能分子筛分膜的设计提供了普适性策略，发表于《Journal of Membrane Science》。

　　

在可再生能源和碳中和领域，分子筛分膜技术因其低能耗特性备受关注，但多晶金属有机框架（MOF）膜的晶间缺陷问题长期制约其性能。这些缺陷不仅降低气体分离选择性（如H₂/N₂），还影响膜的稳定性和规模化生产。传统方法如聚合物涂层或高温处理往往治标不治本，而精确调控缺陷修复仍面临挑战。

为解决这一难题，Fatereh Dorosti团队在《Journal of Membrane Science》发表研究，提出加压逆扩散二次生长（Pressurized Counter-diffusion Secondary Growth, PCDP）技术。该技术通过压力驱动前驱体定向输运至缺陷区域，结合奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald ripening）机制，实现了多晶MOF膜的微观结构重构。

关键技术方法

研究以α-氧化铝（α-Al₂O₃）为基底，通过旋涂法制备ZnO种子层，再水热合成初始ZIF-8膜。PCDP核心步骤为：将膜置于逆扩散反应池中，两侧分别加入配体（Hmim）和金属离子（Zn²⁺）溶液，施加8 bar均衡压力调控反应位点。结合聚焦离子束-扫描电镜（FIB-SEM）三维重建、荧光共聚焦显微镜（FCOM）和计算流体力学（CFD）模拟，系统评估缺陷修复效果。

研究结果

1. 1.

   主效发现

   PCDP处理后的ZIF-8膜（PCDP ZIF）表面形成致密均匀层，透射电镜（TEM）显示晶界消失。气体测试显示H₂渗透率下降而选择性跃升至41.3，N₂渗透降低两个数量级。FIB-SEM三维重建证实缺陷体积减少91%，残余缺陷92%呈孤立分布。

2. 2.

   机制解析

   CFD模拟揭示压力可克服毛细管阻力，使前驱体深入纳米级缺陷。时间序列实验表明：高压下配体诱导初始ZIF-8部分分解，形成二维晶核；随后通过奥斯特瓦尔德熟化合并为完整晶体。X射线衍射（XRD）证实修复后仍保持ZIF-8晶型，X射线光电子能谱（XPS）显示Zn/N信号增强，印证MOF再生。

3. 3.

   普适性验证

   在CuBTC膜中应用PCDP同样实现缺陷密度从24%降至0.3%，表明该方法适用于不同MOF材料。

结论与意义

该研究通过PCDP技术实现了多晶MOF膜的晶间缺陷精准修复，突破了传统方法无法兼顾选择性与通量的瓶颈。其创新性在于：

1. 1.

   压力调控前驱体空间分布，靶向修复缺陷；

2. 2.

   结合分解-再结晶动态平衡，避免基底孔道阻塞；

3. 3.

   为MOF膜在氢能（H₂纯化）、碳捕集等领域的应用提供普适性解决方案。

这项工作不仅推动了分子筛分膜的性能边界，更为多晶材料缺陷工程提供了新范式。