在香港科技大学（广州）超级能源科技主题实验室内，一张长20米、宽20厘米的紫色薄膜吸引了大家的注意。这张柔软的薄膜内含有90%的MOF（金属有机框架材料），可筛分不同气体分子乃至金属离子。
去年，MOF的三位发明者荣获诺贝尔化学奖。然而，MOF虽然性能优异，但因为无法做成大面积的薄膜，一直难以在工业场景中实现应用。如今，这一难题终被香港科技大学（广州）和华南理工大学等科研机构攻克，相关论文也于近期发表在国际顶级期刊《自然》杂志上。
本期《科技周刊》，记者来到相关机构，探访广州科研力量如何助推诺奖成果，使其有望实现工业级应用。
什么是MOF？
晶体材料浑身是眼 可筛分气体分子、金属离子
●MOF是由金属离子（或簇）与有机配体通过配位键连接形成的三维多孔晶体材料，具有高比表面积、可调孔径和结构多样性特征。它仿佛是一个分子“筛子”，通过调节“筛子”的孔径，可实现不同气体分子乃至金属离子的筛分。
●MOF（金属有机框架材料）具有优异的分离性能。目前已有成熟技术，可精准调节MOF的微观孔径大小，实现气体分离。比如要实现氮气、氧气的分离，只要将孔径设计得比氧气分子大，比氮气分子小，通过加压，就可以让氧气“挤”过MOF膜，把氮气留在膜的另一侧。
不久前，香港科技大学（广州）助理教授周胜团队与华南理工大学电子显微中心/前沿软物质学院韩宇教授团队等合作完成的学术论文《Scalable quasi-pure MOF membranes for energy-efficient gas separations》（《用于节能气体分离的可放大准纯MOF膜》）发表在《自然》杂志上。《自然》审稿团队这样评价这项重大发现——学术界和工业界都在热切等待它的部署，以大幅降低工业分离过程的能耗。
将MOF膜制成工业级尺寸异常艰难。周胜告诉记者：“MOF的制备过程是一个结晶过程，其不可控因素很多，在实验室内做1平方厘米的MOF膜，分离效果非常好，但做到100平方厘米，效果就没那么理想了。为克服难题，近几十年来，科学家们选择不做纯MOF膜，而是做混合基质膜，即用聚合物把MOF材料连接起来，从而既可以把膜做大，又有望保留MOF的优异分离性能。但这类混合基质膜中，MOF材料至多只能占50%—60%，各项性能也与纯MOF材料相去甚远。”
为了找到突破口，周胜团队做了长时间的科学文献调研。他们从1991年诺贝尔物理学奖成果——高分子物理学的标度理论中获得了重要灵感，“这一理论告诉我们，在混合材料体系中，只有分子之间的吸引力和排斥力实现平衡，才能防止分子的团聚。一旦MOF载量超过50%，体系中分子间的引力就会远超排斥力，混合材料就会倾向于团聚，从而丧失MOF的优异性能。这也是之前的高载量MOF混合基质膜总是失败的原因。”
在找到“病因”后，团队开始构思破局之道。他们借助表面活性剂调控晶面生长速度，促使MOF晶体长成二维纳米片状结构，使MOF材料“伪装”成便于堆叠的高分子聚合材料。他们对纳米片进行特定的小分子表面修饰，以增强其与聚合物的交联作用，这样一来，仅需少量的聚合物即可形成MOF膜。“我们开发了一类‘分子锚’结构，一端结合MOF，另一端结合聚合物，形成高密度连接，平衡分子颗粒间的吸引力与排斥力。由此，MOF材料的占比得以大幅提升。”
球差电镜 广州日报全媒体记者武威摄
加错活性剂 意外取得新突破
在研发过程中，团队的一次“无心之失”，造就了准纯MOF膜的基准材料。2024年5月，团队的博士生宋诗政在实验室里尝试复现ZIF-67（100）纳米片的合成。按照既定的实验计划，他需要加入一种缩写为SDS的表面活性剂，这是他为实验准备的关键组分。鬼使神差的是，他当时加入的表面活性剂其实是SDBS。这使实验结果呈现出一种完全不同的ZIF-67（110）纳米片晶面取向结构。研究发现，该晶面取向结构对准纯MOF膜的制备产生了关键作用。
周胜打了个比方：“这就像我们掷骰子，刚开始，我们想让几个骰子都显示‘1’，却因为加错了原料，得到的全是‘6’。我们验证发现，这个‘6’其实更好，它成为后续我们做成准纯MOF膜的基准材料。可以说，我们的科学文献研究和实验做得再好，没有这个全新发现的纳米片晶面取向结构，也很难实现真正意义上的突破。”
最终，团队成功研发出了含量达90%的准纯MOF膜，大幅提升了原先的MOF含量极限。
准纯MOF膜制备走向生产线
依托大湾区成熟的工业体系，准纯MOF膜的制备快速从实验室走向生产线。2025年9月，在深圳的一间工厂，团队利用现成的生产线，把90%浓度的MOF膜做成了长20米、宽20厘米的连续膜卷。
周胜介绍，这一工业化制备的准纯MOF膜显示出与纯MOF材料同等的分离性能。机器连续运转150天，利用该膜分离丙烷、丙烯两种石化领域常见的有机气体，分离的气体纯度始终保持在99.5%以上，达到聚合级标准。
在周胜团队的实验室内，记者见到了各种各样的纤细管道，管道内是氢气、氮气等气体。这些管道可连接到实验台一侧的气体筛分装置，打开装置，内部就有一小片准纯MOF膜，实验台的另一侧则有一个专门用于检测气体成分的气相色谱仪，“我们做实验时，依靠这些先进仪器可即时验证膜的筛分气体性能。”
“我们在研究过程中也走过很多弯路。由于我们的基础学科背景是化学，对MOF的理解并不深入，通过一步步假设，一步步验证，一步步学习，团队最终打开了思路。”周胜总结说。
降碳、制氧、提锂……
一张膜的“七十二变”
周胜介绍，目前全球在气体分离环节所消耗的能源，约占全部能源消耗的15%。现有技术路线主要依赖气体沸点差异进行分离，例如氮气在常压下的沸点为-195.8℃，若要获得高纯度氮气，传统工艺必须同时施加高压和超低温，将氮气液化后才能实现有效分离，其能耗之高可想而知。而如果改用MOF膜分离技术，则可在常温常压附近完成选择性分离，大幅降低运行成本。
石化工业——以往需要用大型精馏塔进行烯烃、烷烃的分离，精馏塔往往高达百米，占地面积也很大，需要消耗巨大的能量。但如今，利用准纯MOF膜进行分离，能耗有望降低80%以上。
碳捕集、氢气纯化——针对二氧化碳、甲烷等温室气体进行碳捕集，进行氢气纯化等，利用准纯MOF膜，有望大幅降低能耗，从而大大推动节能降碳和氢能产业的发展。
民用领域——准纯MOF膜也有很大的应用前景。“我们可以用它做一个小型的氧气分离提纯装置，在高海拔地区进行落地应用，通过小型真空泵驱动，提高吸入氧气浓度，替代传统氧气瓶，帮助登山爱好者等。”周胜说。
新能源领域——准纯MOF膜有望从海水中提纯出锂离子。目前，新能源电池生产非常依靠锂矿，但陆地上的锂矿含量非常有限，海水中的锂离子却很丰富，准纯MOF膜可以成为一把精准的“筛子”，将海水中的锂离子放过去，截留下钠离子、镁离子等海水中常见的金属离子。
科研机构谈创新
电镜验证
准纯MOF膜微观结构 用球差电镜看个一清二楚
准纯MOF膜成果的快速落地，背后是两大广州科研机构的联手缔造。华南理工大学电子显微中心/前沿软物质学院韩宇教授团队提供了先进的电子显微技术，让极其微观的MOF结构跃然于科学家的眼前。
在华南理工大学电子显微中心，韩宇教授带领记者参观了一台三米多高的先进球差电镜，“正是利用这台电镜，加上自研的低剂量成像技术，我们拍出了准纯MOF膜的微观结构，对周胜老师的成果进行了关键验证。”
韩宇告诉记者：“MOF的孔径通常是亚纳米或纳米级别，正好与分子大小差不多，因此它可以分离各种气体或者液体分子。使用电子显微镜拍摄如此微小的MOF结构时，因为MOF对电子束敏感，大量电子束的通过会对MOF结构造成损害，但如果电子束经过太少，电子显微镜拍出来的‘照片’又会不清晰。这一直是电子显微领域的一大痛点。利用我们自研的‘低剂量成像技术’结合高端电镜设备，就可以利用低剂量的电子拍出MOF材料高分辨率的结构表征。”在这项研究中，韩宇团队证实了准纯MOF膜仍保留精准的分子筛分孔道结构，为准纯MOF膜的机理研究提供直接证据。
韩宇介绍，团队的低剂量成像技术就像手机的夜景模式，通过硬件优化与自研软件算法，可在极低电子剂量下获得高信噪比的原子分辨率图像，避免敏感材料结构被破坏。其适用于各类电子束敏感材料，如杂化钙钛矿、有机/无机多孔材料、超分子晶体、蛋白质等。
“我们中心已拥有10台总价值超2亿元的进口高端电子显微镜，吸引多位来自美、德、韩、瑞典等地的青年学者加盟。近3年，他们利用我们的先进技术，已参与发表了7篇《自然》《科学》的正刊论文。”韩宇介绍，中心除了低剂量成像技术，还有电子全息技术，可用于磁性材料拓扑结构观测；三维电子衍射技术，可用于复杂晶体结构解析等。
文/广州日报全媒体记者：武威
