一次试剂误拿如何推开气体分离产业化之门？

2025年诺贝尔化学奖授予金属有机骨架（MOFs）的三位开创者。颁奖词写道：“他们为化学创造了新空间。”全世界都在畅想这块“新空间”如何颠覆气体分离、碳捕集与储能，但一个尴尬的现实始终如影随形——MOFs在最具产业化前景的膜分离领域，至今仍困在实验室里。纯MOF膜性能惊艳却做不大；混合基质膜做得大却性能平庸。两条路，两堵墙。

直到一张紫色薄膜在香港科技大学（广州）（以下简称港科大（广州））的实验室台面上诞生——柔软、轻薄，看似普通塑料膜，却以接近纯MOFs的结构实现卓越分离，以MOFs体积分数超过90%的骨架含量兼顾了加工性与柔性，并已实现20米长卷材的连续化制备。7月15日，这项成果发表于《自然》（Nature）。而这一切的起点，竟源于一次试剂误拿。

周胜（左）和宋诗政（右）。黄俊楷 摄

记者了解到，该成果由港科大（广州）助理教授周胜团队联合华南理工大学电子显微中心教授韩宇团队、法国蒙彼利埃大学教授Guillaume Maurin团队、清华大学教授王海辉团队、沙特阿卜杜拉国王科技大学教授Mohamed Eddaoudi团队等共同完成。

意外之喜：一瓶错拿的试剂推开新门

研究的起源，要追溯到2024年5月，当时港科大（广州）可持续能源与环境学域博士生宋诗政，正在红鸟材料制备实验室里尝试复现ZIF-67纳米片的合成。

操作台上试剂瓶整齐排列，按既定配方他需要加入一种缩写为SDS的表面活性剂。他伸手拿起一瓶，合成照常推进，紫色粉末缓缓沉出，肉眼未见异常。

直到结构表征数据出来。“晶面取向不对。”宋诗政愣住了——数据与预期完全不同，却呈现出一种罕见的（110）晶面取向结构。反复核查记录，步步复盘，他才发现那天拿在手上的不是SDS，而是SDBS——名称仅一字之差、分子结构却完全不同的化学品。

彼时，导师周胜正在出差的高铁上。手机震动，他打开信息，第一反应不是责备，而是回复：“这是一个非常有意思的现象，搞明白怎么回事。”“我们做这个方向，你得允许犯错，”周胜说，“很多诺贝尔奖的起因都是小失误。我们可以接受失败，但一定要知道怎么失败的。”

不到两周，宋诗政完成对照验证，结果令团队振奋：这次“意外”产生的（110）取向结构，其筛分窗口尺寸恰好匹配丙烯/丙烷体系的分子筛分需求——这一体系正是气体分离领域公认的“硬骨头”。翻遍文献，尚无直接合成（110）取向ZIF-67纳米片的先例。

（110）取向ZIF-67纳米片（左）与（100）取向ZIF-67纳米片（右）的高分辨积分差分相位衬度扫描透射电子显微镜图像，及对应的投影结构模型。贾茜霖、周胜 供图

“一方面有点自我怀疑，我做了那么多年实验从没加错过；另一方面也特别意外，这个材料太神奇了。”论文第一作者宋诗政对《中国科学报》回忆道。一次试剂误拿，一次不肯“稀里糊涂扔掉”的追问，推开了一道门缝。而门后的风景，远比想象辽阔。

突破困局：让MOF膜“鱼与熊掌”兼得

要理解这张紫色薄膜的分量，得先看清它要替代的是什么。

从19世纪起，化工分离的象征就是高耸的精馏塔。丙烯和丙烷——这对分子尺寸仅差0.2?的“孪生兄弟”，工业上只能靠低温精馏反复冷凝蒸发，能耗惊人。“化工厂约70%的空间做分离，真正的能耗就在那70%。”论文共同通讯作者周胜对《中国科学报》说。

膜分离被公认为下一代替代技术，但MOF膜始终困在“性能与规模不可兼得”的死胡同。

周胜团队与合作者选择另辟蹊径。他们提出MOFs-polymer“融合相”（merged-phase）构建策略：第一步，将MOFs晶体“扁平化”为高度取向的超薄纳米片——那场试剂意外打开的（110）取向结构成了天然起点；第二步，通过“分子锚定”（molecular anchoring）方法，在每片MOFs表面动态接枝一层超薄聚合物“外衣”。

周胜指出，如果把MOFs比作砖，分子锚就是均匀涂在砖面的水泥——一端咬住MOFs表面的开放金属位点，另一端与聚合物链形成氢键，让每个晶体被均匀包裹。分子锚的筛选是一场“人机协作”：团队从化学分子库中依据结构特征挑出上千种候选，再基于化学逻辑排除尺寸不匹配者，缩减至三百余种，交由AI工具进一步筛选，最终三种兼具商业可获得性与优异界面耦合能力的分子脱颖而出。

周胜（左）和宋诗政（右）在分析问题。黄俊楷 摄

关键突破在于MOFs含量。传统混合基质膜含量长期卡在50vol%以下，本征筛分性能无从发挥。而“融合相”使含量从50vol%一路攀升至80vol%——宋诗政当时已很满意，但周胜凭科研直觉判断：“数据没有出现拐点，没有衰减，就意味着还能更好。”最终，含量被推至90vol%。这意味着膜性能逼近纯MOFs的理论基准，却拥有了纯MOFs从未具备的机械柔性、抗塑化能力和规模化潜力。

《自然》审稿人给予高度评价：“这项工作引入了一种创新的膜结构——准纯MOF膜，可利用现有技术轻松放大。这项工作确实具有重要意义，因为学术界和工业界都热切期待MOF膜的部署，以大幅降低工业分离过程的能耗。”审稿人还指出，“融合相”概念清楚地将这一进展与传统混合基质方法区分开来。

论文共同通讯作者韩宇对《中国科学报》表示，研究团队将MOFs晶体二维化为取向纳米片，并利用分子锚定剂将聚合物链动态固定于MOFs表面，构筑出MOFs体积分数超过90%的准纯MOF膜。该策略克服了传统混合基质膜中MOFs填料含量受限、界面缺陷及规模化制备困难等瓶颈，使膜的气体分离性能接近纯MOF膜的本征水平。

据介绍，华南理工大学电子显微中心采用低剂量高分辨扫描透射电子显微技术，为多种成膜用MOFs纳米片提供了直观、可靠的微观结构证据。这些原子/近原子尺度证据证实了MOFs纳米片的高结晶性、取向性及孔口暴露方式，为理解其有序堆叠、孔道取向与气体筛分性能奠定了关键结构基础。

走出实验室：连续制备实现降本约80%

“一张膜或许可以‘颠覆’一个行业，但前提是它得先走出实验室。”周胜说。他用一个更朴素的比喻描述这件事：如同攀登珠穆朗玛峰，先从北坡爬到接近山顶，发现眼前是一堵翻不过去的墙；再退回山脚，从南坡重新开始。

周胜团队想做的，是这样一次改换路线的重启。

成品膜可弯曲，可卷绕。宋诗政、周胜 供图

宋诗政是周胜课题组最早的一批学生之一。宋诗政2023年9月入学，周胜也是刚刚加入创校仅一年的港科大（广州）。那个时间点，实验室还在初期筹备阶段。从实验台、气相色谱到气路系统、气瓶柜，几乎每一件设备、每一条管线都要从零规划、逐步搭建。周胜和宋诗政带着一股敢想敢拼的创业精神，同步并行推进课题研究与实验室建设。

这和周胜此前读博的经历也有类似之处。周胜于2016年获华南理工大学化学（创新班）学士学位，2018年获华南理工大学化学工程硕士学位。因为研究方向非常前沿，许多设备都要重新购置和调试，但正是这样“从零手搓”的经验，让后续的实验更加顺利。“你经历过这段过程，将来一定会感谢它。”周胜这样勉励宋诗政。

论文共同第一作者、华南理工大学电子显微中心博士研究生贾茜霖介绍，团队成功制备了ZIF-67、CALF-20和CuBDC等多种准纯膜，并应用于丙烯/丙烷、乙烯/乙烷分离和二氧化碳捕集、氢气纯化等过程。其中，取向ZIF-67膜在丙烯/丙烷分离中展现出良好的产业化前景。

2025年9月，周胜团队带着浆料找到深圳的联合产业伙伴。合作共识清晰：不为这项技术专门开发新设备，直接用工业成熟的卷对卷（roll-to-roll）生产线验证其可制造性。

当20米长、20厘米宽的准纯（110）取向ZIF-67膜卷在设备上连续化制造，并在不同位置均测得稳定均一的丙烯/丙烷分离性能时，团队知道，通往产业化的钥匙已握在手中。这张膜能直接处理工业级丙烯/丙烷混合气，通过单级膜分离制备聚合级丙烯。“这一领域很少有能用卷对卷方法做出来的，”宋诗政说，“但我们做到了。”

更扎实的是长期稳定性：连续工作150天，产物丙烯纯度始终保持在99.5%以上。技术经济分析显示，与传统低温精馏相比，该膜分离过程有望将丙烯提纯成本降低约80%。

从意外发现到《自然》接收，仅用两年。但研究团队清楚，这只是开始。“文章只是前期成果，”周胜说，“真正把它应用落地，才是我们的目标。”他顿了顿，补了一句对学生的期许：“上世纪合成氨技术拿过两次诺贝尔奖——第一次是发现反应本身，第二次是把它搬进工厂。希望我们走的路，也是一样。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10655-9