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摘要：金屬-有機骨架材料（metal-organic frameworks，MOF）由于具有高比表面積、大孔隙率、功能性孔道結構以及種類多樣性等特征，在儲氣、分離、催化、載藥和光學等領域受到重視。其中，制備純MOF膜或基于MOF的混合基質膜（mixed matrix membranes，MMMs）并用于氣體分離，被認為具有潛在的應用前景。目前為止，實驗合成的MOF材料種類已有兩萬種，為了快速篩選出合適的MOF材料作為膜材料，計算化學的方法可以極大地縮減MOF膜的研究周期，并有助于指導實驗合成高效膜分離材料。本文分別從計算和實驗兩方面介紹了MOF膜在氣體分離中的研究進展，分析表明，MOF膜的研究總體上向功能性更強、穩定性更高的方向發展，但是利用計算方法建立MOF膜的構效關系還存在一定的難度。因此，建立MOF膜的結構與性能表征的新概念、新方法，并利用MOF膜的結構-性能關系指導實驗合成高穩定性、低成本的膜材料將是未來MOF膜的發展方向。關鍵詞：金屬-有機骨架材料膜；氣體分離；計算化學

第一作者：侯丹丹（1989—），女，碩士研究生，研究方向為金屬-有機骨架材料的應用。聯系人：劉大歡，教授，研究方向為納微結構材料合成。E-mail liudh@mail.buct .edu.cn。仲崇立，教授，研究方向為計算化學、化工熱力學及新型納微結構材料分子設計與合成。E-mail zhongcl@mail.buct.edu.cn。

膜分離技術因其環境友好、分離體積小、能耗低、操作簡單等優勢，近年來得到迅速的發展，并受到越來越多的重視[1]。目前，在工業中得到廣泛應用的為聚合物膜，但是隨著分離技術的發展以及分離體系的變化，很多聚合物膜難以達到高效分離的要求；同時，針對多種混合體系的分離過程，其存在滲透選擇性和滲透通量互為制約的關系，阻礙了進一步的發展[2]。因此，選擇和尋找具有優異性能的膜材料，一直是膜分離技術開發與研究的熱點。

金屬-有機骨架材料（metal-organic frameworks，MOF）是由金屬離子與有機配體通過配位鍵形成的一類新型納米多孔材料[3-5]。與傳統的多孔材料相比，MOF材料具有許多的優點，如功能性強、孔隙率和比表面積大、尺寸可調控性強等。因此，可根據特定的需求對MOF材料進行功能化調控與修飾，從而有望成為新一代膜材料。根據制膜工藝的不同，MOF膜材料大致可以分為MOF晶體膜和以MOF為添加劑的混合基質膜（mixed matrix membranes，MMMs）。通常地，MOF晶體膜是一類在氧化鋁或二氧化鈦等載體上連續生長MOF的多孔膜。因此，這類MOF膜具有較高的滲透通量和適中的選擇性。相比較而言，以MOF晶體為分散相和以聚合物為連續相的混合基質膜則表現出低滲透通量和高選擇性的特點。近幾年MOF膜的研究報道持續增長，表明研究者們已經逐漸認識到了MOF膜在分離方面展現出的廣闊應用前景[6-8]。本文以氣體分離為例，結合本文作者所在課題組的研究成果，評述計算化學方法在MOF膜研究方面的應用，并輔以相應的實驗進展，以期促進此類膜材料在相關領域的應用。

1　MOF膜用于氣體分離的計算研究進展

由于構成MOF材料的金屬離子和有機配體種類眾多，加之膜制備過程中面臨很多技術問題，因此需要預先對MOF膜的性能進行評估，預篩選出合適的材料進行進一步的研究。在此方面，以電子層次的量子力學方法（quantum mechanics，QM）、原子/分子層次的分子力學（molecular mechanics，MM）與統計力學（statistical mechanics）為主的計算化學方法具有獨特優勢，可從微觀角度進行分析，突破諸多實驗條件以及小尺度空間與結構復雜性的限制，獲得微觀機理，為實驗提供參考信息和必要的理論依據。近年來計算化學方法已成功地應用于MOF膜的研究中，在新材料設計與合成中發揮了重要的作用[9]。

MOF膜中的氣體吸附-擴散機理如圖1所示。Sholl等[11]采用巨正則蒙特卡洛（grand canonical Monte Carlo，GCMC）模擬的方法，率先評估了利用IRMOF-1膜脫除混合氣體中CO2的可行性，計算結果表明，用混合氣體的數據來表征膜的分離性能比用單組分氣體的數據準確度更高。在此基礎上，該研究組采用可表征膜吸附選擇性和擴散選擇性的模型，計算了5種IRMOF和COF-102膜用于CO2/CH4和CO2/H2混合體系的分離性能[12]，從而研究化學多樣性和互穿結構對分離效果的影響。Atci等[13]用GCMC和分子動力學（molecular dynamic，MD）模擬結合的方法，評估了CH4、CO2、H2單組分及其混合組分在bio-MOF-11膜中的吸附與擴散行為，發現由于純MOF膜的高吸附選擇性可以彌補低擴散選擇性，因此bio-MOF-11膜在混合體系CO2/CH4和CO2/H2中均體現了很高的CO2滲透選擇性。MOF膜的這種吸附選擇性和擴散選擇性之間的互補關系在純MOF膜中普遍存在，如ZIF-8、ZIF-68、ZIF-70[14-15]。

一般情況下，在膜分離的過程中，同時依賴于吸附選擇性和擴散選擇性的MOF膜，其滲透選擇性低于吸附選擇性。然而，Sholl等[16]認為這種現象并不是普遍存在的。為了驗證這個猜測，他們用介孔的Cu(hfipbb)(H2hfipbb)0.5膜分離CO2/CH4，并采用GCMC、平衡態分子動力學（equilibrium molecular dynamics，EMD）、密度泛函理論（density functional theory，DFT）、過渡態理論（transition state theory，TST）相結合的計算方法，發現由于CO2的擴散速度比CH4高很多，因此該膜對于CO2具有很好的滲透選擇性，即有效動力學分離起主要作用。此方法也可以推廣到其他利用動力學作用分離的MOF膜中，如在ZIF-90膜中CO2的擴散速度遠高于CH4，因此在CO2/CH4的分離中具有很高的CO2滲透選擇性[17]；多微孔金屬咪唑骨架材料（microporous metal-imidazolate framework，MMIF）膜可成功將CO2從CO2/CH4混合組分中分離出來[18]。

理想的膜材料應該同時具有高滲透選擇性和高滲透通量，但通常情況下，滲透選擇性與滲透通量之間存在著制約關系，即所謂的Robeson限制，只有跨過這種制約關系的膜材料才會具有很好的分離性能。Caro等[19]利用GCMC模擬評估了不同的MOF膜對于CO2的分離性能，發現具有大孔結構的MOF膜，例如MIL-53(Cr)、IRMOF-1、Cu-BTC等膜對于CO2具有較高的滲透通量，但是選擇性很低；而對于具有小窗口和孔籠結構的MOF膜（如ZIF-8膜），由于H2比CO2更容易擴散，因此表現出對H2更高的選擇性。另外，他們還發現，當一種材料的孔體積被客體分子完全占據的時候，用自擴散系數之比不能很好地描述滲透選擇性[20]。因此，為了更加準確地描述此類材料的滲透選擇性，他們在構型偏移蒙特卡羅（configurational-bias Monte Carlo，CBMC）模擬和MD模擬的結果中引入了一個校正擴散系數來代替自擴散系數，并通過計算得到MOF-74(Mg)對于CO2/N2和CO2/H2同時具有高滲透選擇性和滲透通量。

穩定性是應用純MOF膜進行分離的重要前提之一，因此，本文作者課題組以穩定的UiO-66(Zr)系列材料為例，采用理想吸附溶液理論（ideal adsorbed solution theory，IAST）模型和SSK（由Skoulidas、Sholl和Krishna提出的一種可預測混合體系擴散系數的計算方法）結合的方式，研究了其作為膜材料對CO2/CH4和CO2/N2的分離性能。結果表明，相比于UiO-66(Zr)，UiO-66(Zr)-(COOH)2膜具有更高的CO2滲透選擇性和滲透通量，有望成為常用NaY型沸石膜的替代材料[21]。通過分析結果發現，理論上雙羧基改性可以使母體材料UiO-66(Zr)的分離性能跨過Robeson制約關系（圖2），在很大程度上提高分離選擇性。

計算研究在MOF膜領域的另外一個重要應用為大規模篩選材料。Keskin等[22]模擬了20種不同的PCNs膜對于混合體系CH4/H2、CO2/H2、CO2/CH4、CO2/N2的分離性能，并在此基礎上建立了可用于篩選對于C H4/H2、C O2/H2具有高滲透選擇性和通量的PCNs膜的簡單模型。除此之外，文中還比較了MOF-74(M)（M=Co或Ni）和IRMOF-1、-8、-10、-14作為膜材料對于CH4/H2的分離性能，用來篩選滲透選擇性較高的膜材料[23]。Sholl等[24]考察了143種MOF膜分離CH4/H2的情況，結果表明Cu(hfipbb)(H2hfipbb)0.5膜對于H2有較高的滲透選擇性。考慮到工業上稀有氣體的應用，Gurdal和Keskin[25]計算了10種MOF膜對于二元體系Xe/Kr和Xe/Ar的分離性能，認為MOF-74(M)對于Xe有更好的滲透選擇性。Thornton等[26]計算了7種ZIF膜用來分離H2/N2和O2/N2，認為只有ZIF-11能滿足H2/N2分離的工業應用，而ZIF-8、-90、-71更適用于O2/N2的分離。

圖2　在303　K、進料側為1.0　bar（1　bar=105　Pa）并且滲透側為真空的情況下，UiO-66　(Zr)和UiO-66　(Zr)-(COOH)2　對于CO2　/CH4　(10　∶90　)和CO2　/N2　(15　∶85　)混合體系中CO2　分離的滲透選擇性與滲透通量

純MOF膜分離性能好，但在力學穩定性等方面存在弱點，實現工業應用難度較大。聚合物膜已實現了工業應用，但其存在Robeson制約限制。因此，將MOF材料摻雜到聚合物中，有望制備高性能的基于MOF的MMMs，并促進MOF的工業應用。目前，將MOF作為添加物摻雜到聚合物中制備混合基質膜已成為MOF材料領域的研究前沿與熱點。基于MOF的MMM的優勢主要體現在兩方面：①MOF材料的有機部分可增強MOF材料和聚合物鏈之間的親和性，MOF-聚合物界面易于控制；②MOF材料孔道的形狀、大小和化學性質易于設計

開發MMMs的關鍵，在于針對特定的分離目標篩選合適的MOF材料和聚合物的組合。因此，在實驗研究之前，利用理論模型定量預測此類膜的性能就顯得十分重要。2010年，Keskin和Sholl[27]利用Maxwell和Bruggeman模型分別研究了IRMOF-1@Matrimid膜的滲透性質，并通過與實驗值對比，認為上述模型可以很好的預測MMMs的分離性能。利用上述兩種模型，他們對IRMOF-1 和Cu(hfipbb)(H2hfipbb)0.5摻雜的多種MMMs的氣體分離性能進行了理論計算，發現Cu(hfipbb)(H2hfipbb)0.5@Matrimid膜對于CO2/CH4的分離性能可以超過Robeson上限。同時，他們指出，并不是所有MOF材料的加入都可以增強純聚合物膜的分離效果，只有將選擇性和通量都比較高的MOF材料摻雜到聚合物中才能同時強化滲透選擇性和滲透通量。隨后，Erucar等[28]通過比較CO2和CH4的純組分及混合組分透過IRMOF-1@Matrimid膜和Cu-BTC@ Matrimid膜的實驗數據，發現所有理想模型（Maxwell，Bruggeman，Lewis-Nielson，Pal）和非理想模型（修正Maxwell，Felske，修正Felske）中，Maxwell模型和修正的Felske模型可以更好地描述MMMs的滲透性質。進一步，他們利用上述兩種效果最好的模型計算了80種基于MOF材料的MMMs對于CO2/CH4的滲透性質，認為MOF材料與聚合物之間存在一定的匹配關系，針對某一種MOF材料或者聚合物，選擇不同的材料進行復合，最終會得到CO2滲透選擇性和滲透通量均很高的MMMs。在此工作基礎上，他們還研究了由17種MOF材料和7種聚合物組合而成的119種MMMs對CH4/H2的滲透性質[29]，由此確定了分離效果較好的膜材料組合方式，并提出了用于篩選簡單膜材料組合的方法。Keskin等[30]模擬了15種MOF和5種ZIFs作為添加物與2種聚合物膜組合而成的MMMs對CO2/N2中CO2的滲透性質。

與純MOF膜類似，基于MOF材料的MMMs也存在穩定性的問題。因此，本文作者課題組[21]采用Maxwell模型預測了穩定的UiO-66(Zr)系列MOF材料與聚合物形成的MMMs的分離性能，發現UiO-66(Zr)-(COOH)2的加入可大幅度提高膜材料對二元體系CO2/CH4和CO2/N2中CO2的滲透選擇性與滲透通量，并且隨著UiO-66(Zr)-(COOH)2體積分數的增加，分離效果越來越明顯，使得MMMs的性質均靠近或跨過了Robeson制約關系。因此，UiO-66(Zr)-(COOH)2作為添加物使得純聚合物膜的分離性能有很大的提高，具有廣闊的應用前景。MMMs對兩種體系的分離性能如圖3所示。

2　MOF膜用于氣體分離的實驗研究進展

圖3　在303　K、進料側為1.0　bar并且滲透側為真空的情況下，UiO-66　(Zr)和UiO-66　(Zr)-(COOH)2　對于CO2　/CH4　(10　∶90　)和CO2　/N2　(15　∶85　)混合體系中CO2　分離的滲透選擇性與CO2　滲透通量

理論計算工作表明，MOF膜確實展現出良好的氣體分離潛力；與此同時，無機膜合成技術的快速發展，也使得不同類型的MOF膜不斷被合成出來，相應的氣體滲透實驗不僅部分驗證了理論研究的結論，而且也為MOF膜的實際應用提供了重要的參考數據。目前，此方面的研究工作主要集中在如何使MOF膜表觀更致密、晶體更趨完美、晶體與載體的結合力更強，從而獲得更好的分離效果。

與沸石材料和其他無機多孔材料相比，MOF材料具有更優異的骨架可調控性，可以根據預先定制好的結構，選擇適當的連接配體從分子水平上加以設計并制備。因此，雖然MOF膜的制備仍然存在巨大挑戰，但有望克服沸石膜的某些局限性。與沸石膜的制備方法相似，將MOF材料粉末與載體通過共價鍵連接的間接法對于純MOF膜同樣適用[31]。總體來說，純MOF膜的合成方法可以分為兩大類：原位生長法（in-situ growth）[32-34]與二次生長法（secondary growth）[35-38]。

Fischer等[39]率先在Al2O3和SiO2以及COOH/CF3?改性的金質基底上，選擇性生長出連續的MOF-5膜[40]。Jeong研究組[41-42]首次將純MOF膜用于氣體分離研究，開辟了用于氣體分離的MOF膜性能研究新領域。Caro等[43]對不同基底上生長的不同類型的ZIF膜進行了長期研究后，提出通過微波技術在TiO2上制備ZIF-8膜的新方法，通過此方法制得的膜具有較高的熱穩定性和化學穩定性；同時，他們發現通過在ZIF-7膜的制備過程中控制孔徑大小和形狀等手段，可提高其對于H2/CO2混合氣體的分離選擇性[44]。其采用原位合成法，在硅烷偶聯劑（APTES）改性后的TiO2上制得ZIF-22膜[32]，測得對混合組分H2/CO2、H2/O2、H2/N2和H2/CH4的分離選擇性分別為7.2、6.4、6.4、5.2。進一步，他們又成功在硅烷偶聯劑（APTES）改性的Al2O3上制得了ZIF-8膜[45]。黃愛生等[46-47]在上述的利用硅烷偶聯劑（APTES）改性的實驗基礎上，再次對ZIF-90膜進行后改性，從而提高了H2的滲透選擇性。金萬勤研究組采用反應引晶法在ZnO基片上制備了ZIF-78膜用來分離H2/CO2混合體系，H2滲透選擇性可達9.5，此工作提供了一種在多孔基片上制備高性能純MOF膜的普適性方法[48]。隨后，他們又采用原位合成法制備了中空纖維ZIF-8膜用于分離H2/CO2、H2/N2和H2/CH4，H2滲透選擇性分別為3.28、11.06和12.13[49]。為了驗證理論預測結果，利用從Maxwell-Stefan方程得到的對各種擴散系數在分子水平上的理解，Caro等[50]結合時間空間分辨紅外顯微鏡（IR microscopy）測量等技術和GCMC模擬，對ZIF-8膜的CO2/CH4滲透選擇性進行評估，發現隨著吸附量的增加，實驗結果相對于計算結果，CO2和CH4的純組分和混合組對的Fick擴散系數急劇增加。隨著溫度的增加，膜選擇性和GCMC模擬的吸附選擇性趨勢基本一致，據此，他們認為ZIF-8膜的滲透分離是由吸附控制，而不是擴散控制。

利用MOF材料骨架豐富的化學性質，結合基底的特征，不僅可以提高MOF膜生長質量，而且可在很大程度上調節膜材料對氣體分離的效果。本文作者課題組利用兩種配體的混合物，苯并咪唑（bIM）和2-甲基咪唑（mIM）成功地在Al2O3基片上生長出ZIF-9-67雜化膜[37]，而單獨利用這兩種配體則很難生長出致密連續的膜材料。氣體測試數據表明，除了具有較強四極矩的CO2分子之外，單組分氣體在其中的擴散行為符合努森擴散（Knudsen diffusion），通量順序為：H2>CH4>N2>CO>CO2，表明此膜可從包含CO2、H2、N2、CO、CH4的混合氣體中選擇性地分離出CO2。同時，可以通過調節雜化膜中兩種配體的比例，強化膜材料對CO2分子的相互作用，進而調節對CO2的分離選擇性。由于ZIF-9-67雜化膜的高滲透通量和滲透選擇性，使其有望成為有效分離CO2的膜材料，這種混合配體的合成方法也為有針對性地制備和改性MOF膜提供了參考。此外，發現適當地選擇具有特殊結構的基底，可強化純MOF膜的生長過程，如相對于其他傳統載體，六鈦酸鉀更適合于含Cu2+的MOF膜的制備[51]。以此制備連續的、高度互生的Cu-BTC膜可用于天然氣中He提純。

近期，楊維慎課題組[52]首次成功地將二維MOF材料開層，獲得了單分子層厚度的ZIF-7片。在此基礎上，通過熱自組裝方法得到厚度小于5nm的超薄ZIF膜。該膜可以快速而精確地篩分尺寸差異僅為0.04nm的H2和CO2分子，從而將后者有效截留，針對50∶50的H2/CO2原料氣，分離系數可達到200以上，H2滲透量達到2000GPUs（Gas Permeation units，1GPU=1×10?6cm3/cm2·s·cmHg，STP）以上，遠高于迄今報道的有機和無機膜的分離性能。

這些工作表明，MOF材料豐富的骨架結構以及高度可調控的表面性質，為膜材料的定向設計合成提供了豐富的資源。表1給出了一些典型的MOF膜用于氣體分離的例子。

雖然純MOF膜的研究取得了一定的進展，但其內在生長機理導致制備困難、可重復性差、膜厚度不易控制以及成本較高等缺點。而混合基質膜則可充分利用已有聚合物膜的研究基礎，快速、有效、低成本地制備適合于氣體分離的膜材料，更易于工業化。與傳統添加物的混合基質膜制備方法類似，可通過將MOF顆粒與聚合物相分散于溶劑中，然后采用刮膜或中空纖維旋涂的方式制備。

Zornoza等[55]將MOF材料（ZIF-8，HKUST-1）、分子篩（Silicate-1）以及兩者的混合物作為添加物制備了MMMs，發現MOF材料的加入在不同程度上增加了氣體的滲透通量，但卻降低了CO2/CH4的滲透選擇性。Gascon和Sorribas等[56-58]研究了分別將NH2-MIL-53(Al)、ZIF-8、Cu3(BTC)2、Mn(HCOO)2加入PSF中制得的MMMs對于CO2/CH4的分離性能，發現與純的聚合物膜相比，MOF材料的加入提高了其滲透選擇性。Musselman等[59-60]研究了MOF-5和ZIF-8作為添加物的MMMs用于氣體分離，發現MOF-5的加入可以使CO2的通量提高120 %，選擇性維持不變；相反，由于ZIF-8@Polymer的分子篩效應，ZIF-8的加入使得滲透選擇性有了顯著的提高。Zhang等[61]和Shahid等[62]發現將Cu-BPY-HFS加入Matrimid可提高CO2的通量，但會使CO2/CH4的滲透選擇性小幅降低；而Fe-BTC可使CO2的通量和CO2/CH4的選擇性同時提高。Chung等[63]通過比較ZIF-7@PBI實驗表征數據和利用Maxwell模型得到的模擬數據，發現實驗得到的H2通量要比利用Maxwell模型預測的高，CO2的通量卻比預測的低，這主要是由于實驗操作中ZIF-7和PBI之間存在強大的作用力，而且在混合的過程中留有空體積導致的。Easan等[64]研究了ZIF-8 @Matrimid對于CO2/CH4的分離性能，發現用Maxwell模型計算出來的結果可以很好地預測實驗。

類似于純MOF膜，利用MOF材料的結構與化學特性，可以調節MMMs的制備過程和性能。本文作者課題組選擇對酸性氣體（如H2S、CO2）具有較強分離能力的NH2-MIL-125(Ti)作為添加物，摻雜到已用于工業過程的聚砜（PSF）中，制備了NH2-MIL-125(Ti)@PSF膜[65]。結果表明，NH2- MIL-125(Ti)的加入大幅度提高了PSF膜原有的氣體通量，同時由于材料孔道表面存在—NH2與—OH，所制備的混合基質膜對CO2/CH4混合氣體的選擇性也有所提高。該研究有利于促進PSF作為工業氣體分離膜的應用。此外，本文作者課題組將一種生物相容性好的MOF材料MIL-88B(Fe)加入到Matrimid中制得MIL-88B(Fe)@ Matrimid膜[66]，由于MIL-88B(Fe)在熱活化之后會處于封閉狀態，此時的自由孔徑約為3?（1?=0.1nm），介于H2和CH4動力學直徑之間。因此，所得膜材料可以強化小分子H2的通量而阻礙大分子CH4的傳質，進而實現高效分離。與純的聚合物膜相比，H2的通量和選擇性分別提高了16%和66%。由于MMMs制備過程中普遍存在MOF與聚合物相容性差的問題，因此本文作者研究組利用一種類似于MOF的金屬有機納米分子籠（MOP）的獨特結構特點，將功能化的MOP摻雜到聚砜（PSF），在制膜過程中實現了很好的分散，有效避免了添加物沉降、團聚現象，很大程度上降低了分散問題對于膜性能的影響；此外，通過不同極性基團對MOP的修飾，氣體通量增加的同時，選擇性也有了顯著提高[67]。表2給出了一些典型的基于MOF材料的MMMs用于氣體分離的例子。

3　結語

高比表面積、大孔隙率、功能性孔道結構以及種類多樣性等特征，使得MOF膜在氣體分離領域展現出巨大的優勢。目前，MOF膜的研究總體上向功能性更強、穩定性更好及面向實際應用的方面發展。雖然已經取得了一定的進展，但由于膜材料的特殊性和復雜性，仍面臨很大的挑戰。以下為一些重要的研究方向。

（1）用于MOF膜結構與性能表征的新概念、新方法的建立MOF材料實現工業應用的一個有效途徑為制備MOF@polymer混合基質膜，這涉及MOF與聚合物間的界面、相容性、相互作用力等，需要建立新的概念進行其結構與性能的表征，并采用/建立新的計算與分析方法，進行定性/定量構效關系的建立。因此，新概念、新方法的建立為MOF基膜材料的一個重要的基礎研究方向。

（2）構效關系建立與定向設計材料的構效關系對篩選出具有內在優良性能的膜材料、減少實驗盲目性、提高效率，具有重要意義。同時，構效關系的建立系實現膜材料定向設計的前提。因此，建立構效關系，特別是MOF@polymer混合基質膜的構效關系，為MOF膜方面的一個關鍵研究方向。

（3）MOF材料動力學特性對膜材料性能的影響研究——智能膜材料MOF材料的一個重要特性為其骨架具有動力學特性，如常見的“gateopening”和“breathing”現象。一方面，其可影響材料的穩定性（包括復合材料的界面）。另一方面，可利用該外界響應特性，制備智能的MOF膜，其為未來的一個重要研究方向。

（4）提高穩定性，降低成本——促進MOF膜材料的規模化應用MOF材料實現工業化應用的一個瓶頸為成本高、穩定性較差，解決該瓶頸的一個有效途徑為制備MOF@polymer混合基質膜。一方面可通過添加MOF，利用MOF的優良性能，提高傳統聚合物材料膜的性能，同時可降低MOF的使用量，降低成本，并可利用現有聚合物膜制備技術，實現規模化應用。因此，MOF@polymer混合基質膜為目前MOF膜領域的研究熱點與前沿。

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Progress of metal-organic framework-based membranes for gas separation

（Lab.of Nanostructured Advanced Materials，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Abstract：Metal-organic frameworks(MOF)have potential applications in gas storage，separation，catalysis，drug delivery and optical devices due to their large surface area and free volume，adjustable pore surface and various structures.Among them，gas separation using MOF membranes and MOF-based mixed-matrix membranes(MMM)is considered as one of the most promising applications.So far，a large number of MOF have been synthesized in experiment.Computational chemistry，as a complement to experimental study，provides a convenient approach to screen the MOF candidates in a large scale and shortens the design and research period.This paper reviewed recent research progress in computational and experimental works on MOF-based membranes，which are mainly focused on the development of membranes with more abundant functionality and higher stability.However，it is still a great challenge to build the structure-property relationship using the computational chemistry method.Therefore，more efforts should be made to develop new concepts and methods to estimate the structure and performance of MOF membranes，and then to design membrane materials with high stability and low cost in the future.

Key words：metal-organic framework membranes；gas separation；computational chemistry

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃（2013CB733503）、國家自然科學基金重點項目（21136001）及北京高等學校青年英才計劃（YETP0486）項目。

金屬-有機骨架材料在氣體膜分離中的研究進展

1 MOF膜用于氣體分離的計算研究進展

2 MOF膜用于氣體分離的實驗研究進展

3 結語

1　MOF膜用于氣體分離的計算研究進展

2　MOF膜用于氣體分離的實驗研究進展

3　結語