Sci. Adv. ：光響應MOF膜實現石油分子的“精準分級”

在全球煉油工業中，原油蒸餾與裂解分離是最核心、同時也是最耗能的環節。全球每天處理原油超過1億桶，僅分餾過程每年耗電量就超過1100 TWh，占全球能源消耗約1%。傳統蒸餾依賴沸點差異進行分級，不僅能耗高，而且在裂解后分離結構相近的分子時效率有限。膜分離被認為是替代高能耗蒸餾的重要路徑。相比熱驅動分離，膜技術可在溫和條件下實現分子篩分，理論上每年可節約約23 TWh能源。然而，石油體系復雜，從C6到C16乃至更高碳數分子尺寸差異細微，對膜孔徑提出了“雙重挑戰”：既要具備大范圍可調孔徑，用于不同餾分之間的分級；又要實現亞納米級精細調控，區分同一餾分內尺寸接近的分子。如何兼顧“寬范圍調節”與“精確分辨”，成為膜分離技術突破的關鍵。

近日，廈門大學翁建、徐俊教授團隊提出一種基于MOF（金屬有機框架）的“雙模式孔徑調控”策略，通過功能基團尺寸與空間構型的協同設計，實現從宏觀調節到亞納米級動態精調的統一。研究團隊設計了Azo-UiO-66系列MOF，通過在框架中引入不同長度的偶氮苯側鏈（L1–L4），實現：

• 大范圍孔徑調節：通過改變功能基團長度，將孔徑從0.41 nm調節至0.68 nm，覆蓋C6–C16烷烴關鍵分子尺寸區間；

• 亞納米級動態精調：利用偶氮苯在光照下可發生trans–cis可逆異構，實現0.01–0.04 nm級別的精細調控。

這一策略本質上將“靜態結構設計”與“動態光響應控制”結合，形成雙層調節機制：

• 第一步：通過功能基團長度實現不同碳數分子的粗分級（例如輕質與中質餾分區分）；

• 第二步：通過光誘導構型變化，在相近尺寸分子之間實現精準篩分（例如區分C6H14與C9H20）。

實驗選取C6H14、C9H20、C11H24和C16H34四種支鏈烷烴進行驗證，結果顯示膜可形成穩定的“碳原子數依賴滲透梯度”。經過四級連續分離循環，C6H14純度從25%提升至92.2%，實現真正意義上的序列分級分離。更重要的是，該MOF膜在非極性有機體系中表現出優異結構穩定性，并保持可逆光響應能力，為實際應用奠定基礎。

這項工作在石油分離與膜材料設計領域具有多重意義：

1. 能源意義：通過精確孔徑調控替代部分熱驅動蒸餾過程，有望顯著降低石油分離能耗，為低碳煉化提供技術路徑。

2. 材料設計范式突破：首次將“功能基團尺寸調控”與“光響應空間構型變化”協同應用于MOF膜，實現寬范圍+高精度雙調節，為可編程孔徑設計提供新思路。

3. 分子級精準分離能力：不僅可分不同餾分，還能區分同一餾分內結構接近的分子，推動膜分離從“粗分級”走向“分子精篩”。

4. 拓展應用潛力：該功能基團與空間構型協同調控策略，還可推廣至二維材料穩定性調控等領域，為功能材料設計提供啟發。

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