在石油化工领域，丙烯 / 丙烷分离是能耗最高的过程之一。传统精馏技术需消耗大量能源，而金属有机框架（MOF）膜凭借精准的分子筛分能力，被寄予厚望成为节能分离的核心材料。但一个关键瓶颈始终存在：MOF 膜晶界间作用力微弱，在工业高压工况下极易开裂失效，难以实现长期稳定运行。
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一、自然启示：墨鱼骨的 "抗压密码"
深海中的墨鱼能承受超过 20 个大气压的静水压力，其秘密藏在墨鱼骨的微观结构中。这种生物材料拥有独特的 "壁 - 腔" 复合体系 —— 水平排列的刚性壁连接着无数微小腔体，当外部压力作用时，腔体通过轻微压缩变形缓冲压力，刚性壁则将应力均匀分散到整个结构中，避免局部应力集中导致的坍塌。
这一自然智慧给了研究团队关键启发：传统 MOF 膜的失效根源，正是在于 MOF 晶粒间仅靠微弱的范德华力和氢键连接，高压下应力沿晶界累积，最终引发开裂（图 1B）。如果能在 MOF 膜中引入 "人工刚性壁"，桥联分散的 MOF 晶粒，就能像墨鱼骨一样实现应力分散，提升耐压性能。
基于此，团队提出纳米片桥联策略：通过电化学共组装技术，将高孔隙率氧化石墨烯（PGO）纳米片引入 ZIF-8 等 MOF 膜中。PGO 纳米片作为刚性骨架，与 MOF 晶粒通过金属离子（如 Zn²⁺）与含氧官能团的强配位作用形成稳定连接，构建出类似墨鱼骨的 "刚性壁 - 柔性晶粒" 复合结构，既增强机械强度，又提供应力耗散路径。
二、核心突破：从制备到性能的全面升级
1. 一步成型的精准制备工艺
团队采用一步电化学共组装法制备 NB-ZIF-8 膜，整个过程高效且可控：
PGO 纳米片作为带负电模板，快速吸附 Zn²⁺形成 PGO@Zn²⁺复合纳米片，50 秒内吸附量可达 57.0μg/cm²，远超常规多孔纳米材料；
复合纳米片经电泳驱动至导电基底，同步发生 ZIF-8 晶体成核生长与 PGO 沉积，60 分钟即可形成连续膜层；
最终获得的膜层中，PGO 纳米片平行于基底排列，厚度方向呈梯度分布，确保全膜范围内的有效桥联。
表征显示，PGO 纳米片横向尺寸 5-10μm，厚度不足 2nm，孔隙密度高达 600 个 /μm²，其含氧官能团含量提升至 27.06%，为与 MOF 晶粒的强相互作用提供了保障。这种结构设计既保留了 MOF 的筛分性能，又通过桥联结构强化了机械稳定性。
2. 机械性能的跨越式提升
纳米片桥联结构让 MOF 膜的机械性能实现质的飞跃：
杨氏模量从 2.5 GPa 提升至 3.3 GPa，增幅达 32%；硬度达到 0.367 GPa，是纯 ZIF-8 膜的 2.36 倍；
AFM 纳米力学映射显示，78.97% 的 NB-ZIF-8 膜区域杨氏模量超过 2.5 GPa，而纯 ZIF-8 膜仅为 61.72%，软质区域大幅减少；
弯曲测试中，纯 ZIF-8 膜在极小曲率下即出现晶界开裂，而 NB-ZIF-8 膜在 60 m⁻¹ 曲率下仍保持完整，分离因子可达 267。
分子动力学模拟证实，PGO 与 ZIF-8 间的相互作用能从 - 1.09 eV 降至 - 3.77 eV，强配位作用形成的 "桥梁" 有效传递应力，避免了晶界处的应力集中。
3. 高压下的长效稳定分离
在工业相关工况测试中，NB-MOF 膜展现出惊人的稳定性：
7巴压力下连续运行 300 小时，C₃H₆/C₃H₈分离因子稳定在 240 左右，C₃H₆通量保持 55.8 GPU，性能无明显衰减；
经受 50 巴高压氮气冲击 6 小时后，分离性能几乎不受影响，而纯 ZIF-8 膜选择性下降 65%；
对比实验显示，未桥联的 ZIF-8 膜在高压下 10 小时内即丧失分离能力，而引入无法形成桥联的 GO 量子点的复合膜，选择性下降超 70%，证实桥联结构是耐压关键。
此外，该策略具有良好的普适性：团队成功制备的 NB-ZIF-67 膜，在 7 巴压力下分离因子达 296，稳定性同样优异；扩大 14 倍面积的 NB-ZIF-8 膜，仍保持均匀的分离性能，C₃H₆渗透通量超 100 GPU，分离因子超 250，为规模化应用奠定基础。
三、工业价值：开启节能分离新时代
丙烯 / 丙烷分离是石化行业的核心环节，传统精馏工艺能耗巨大。研究表明，膜分离技术与精馏结合可节能 20%-50%，但 MOF 膜的高压不稳定性一直是产业化的最大障碍。
NB-MOF 膜的出现彻底改变了这一现状。其在 7 巴工业压力下的 300 小时稳定运行记录，远超现有 MOF 膜水平，且分离性能处于行业顶尖水平。更重要的是，该膜可在商用聚合物基底上制备，兼容现有膜组件生产工艺，同时能耐受 50℃的工业操作温度，在模拟丙烷脱氢五组分进料体系中也表现稳定。
这一技术不仅为烯烃 / 烷烃分离提供了高效解决方案，更建立了晶体膜机械强化的通用策略。未来，该方法可拓展至其他易产生晶界缺陷的 MOF 材料，推动膜分离技术在天然气净化、二氧化碳捕获等更多领域的工业化应用。
结语
从墨鱼骨的自然结构到高性能纳米复合膜，这项研究完美诠释了 "师法自然" 的创新智慧。通过巧妙的结构设计，团队成功解决了 MOF 膜高压稳定性这一世界性难题，为晶体膜的实际应用打开了大门。
随着规模化制备工艺的进一步完善，NB-MOF 膜有望快速实现产业化，为石化行业带来颠覆性的节能变革，在 "双碳" 目标下展现出巨大的经济价值与环境效益。这项来自中国团队的研究，也再次证明了在先进材料领域，将自然灵感与工程技术相结合的强大创新潜力。
参考文献：
Quan Zhao et al. Nanosheet-bridged metal-organic framework membranes for durable hydrocarbon separation under high pressure. Sci. Adv.11, eadz3219(2025).