近期，科学家研发出一种全新材料——仅单个晶胞厚度2纳米的金属有机框架(MOF)薄膜，实现了氢气和氮气的高效分离。这一突破性进展将为实现中国“双碳”目标提供重要科技支撑。

MOF薄膜的首创者，美国科学院院士奥马尔·亚基，出生于约旦干旱地区。由于家乡长期缺水，他从小就深受其困扰。每当供水时间来临，全家人都要提前 几个小时起床，在有限的5小时内收集足够两周的生活用水。如若用完，就只能去其他地方艰难地获取。正是这种亲身经历，激发了亚基未来研究MOF材料以提高水资源利用效率的决心。他想通过化学手段，从干旱地区提炼水分子，以解决缺水问题。

化学奖得主研制MOF解决缺水问题

如果你是一名化学爱好者，那么你对于美国科学院院士、2018 年沃尔夫化学奖得主、美国加州大学伯克利分校化学系教授奥马尔·亚基（Omar M. Yaghi）一定不陌生。但是很难想象的是，早年出生于约旦沙漠地区的他，曾因为吃水问题而作难。小时候，他的日常用水由市政统一供应，每两周有五小时的供水时间。每逢供水时间来临时，很早就要起床，然后把家里大大小小的桶，在这五小时之内灌满水。

奥马尔·亚基，如今是美国科学院院士和2018年沃尔夫化学奖得主，他的研究成果——金属有机框架材料（MOF）的发明，为解决全球缺水问题和气候变化提供了有力支持。他在童年时期由于缺水问题备受困扰，这一经历激发了他对解决干旱地区水资源问题的渴望。

对于约旦地区的缺水问题，他曾想通过化学手段来解决。他在近期一场演讲中表示：“我当时想既然地球上有极度缺水的干旱地区，也有水资源充足的地方。那么假如设计出一种材料，把干旱地区或低湿度地区的水提取出来，必将是一个好主意。”

亚基在一个偶然的午休时间里，十岁的他在图书馆看到了分子的示意图，从而开始对分子产生浓厚兴趣。然而，当时的他并没有想到，这个兴趣会引导他终其一生来研究分子。而正是出于对家乡缺水问题的深刻感受，他在后来成为科学家的道路上选择了通过化学手段来解决这一难题。

他的创新成果MOF，被誉为化学领域的革命性突破。这种材料不仅能够吸收水分子，从而实现从空气中提取水的目标，而且还能够捕捉空气中的二氧化碳，为实现零碳目标提供了新的科学支持。MOF可以说是一种多功能的材料，既能够解决缺水问题，又能够帮助应对气候变化。

中国学者将 MOF 研究再向前推进一步

可以说，MOF 既能从沙漠提水、又能捕捉废气。而作为 MOF 首创者的亚基，也多次被媒体“押宝”为诺奖热门人选。近年来，MOF 一直是材料领域中的“网红选手”，引得学界一轮又一轮的研究。

近期，由苏州大学副教授刘琦和合作者推动的研究再次将MOF的应用推向新高峰。他们成功制备出目前公开报道中最薄的MOF薄膜，厚度仅有2nm。这一创新有望在气体分离领域发挥关键作用，实现高效分离氢气和氮气。这种MOF薄膜的制备方法为未来更多优异性能的MOF薄膜打开了新的途径。

这一创新对于中国提出的2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的“双碳”目标具有积极的意义。随着全球工业化的不断推进，环境问题逐渐凸显，特别是气候变化问题引起了全球的广泛关注。为了实现全球气温上升幅度的控制，各国纷纷签署了《巴黎协定》。中国在2020年提出的“双碳”目标，是为了应对全球气候变化、实现绿色可持续发展的一项重要战略。中国正在通过产业和能源结构的调整，大力发展可再生能源，规划建设大型风电光伏基地项目，力求在碳减排方面取得更大的成就。

MOF作为一种杰出的薄膜分离材料，不仅可以帮助解决气候问题，还有望在实现“双碳”目标中发挥积极作用。MOF薄膜的制备是关键一环，而刘琦团队的研究为实现更薄、更高效的MOF薄膜提供了全新的方法。这种薄膜的制备不仅有助于提高气体分离性能，还有望应用于检测器件和图案化等领域。

2nm的MOF助力缓解气候问题

随着全球工业化进程的不断推进，由此引发的环境问题也日益严重，并成为人类关注的热点问题之一。这其中就包括气体污染的加剧，直接导致全球气温的升高。为应对这一问题，2015 年，在联合国第 21 届联合国气候变化大会上，全球 178 个缔约方共同签署《巴黎协定》（The Paris Agreement）。该协定的长期目标旨在致力于将全球平均气温上升幅度控制在 2℃ 以内，并努力将温度上升幅度限制在 1.5℃ 以内。

尽管这款 MOF 薄膜只有小小的 2nm，但其背后却蕴藏着助力缓解气候的宏大命题。作为一种晶态多孔材料，MOF 由金属或金属氧簇节点、和有机配体通过配位键连接而成。

MOF 材料拥有多孔性、高度有序性、和结构可设计等特点。对于 MOF 的孔道尺寸来说，从直径小于 2nm 的微孔、到直径位于 2nm-50nm 的介孔，只要位于上述范围之内，MOF 都具备连续可调的能力。也就是说通过一番调试，MOF 就能拥有与气体分子动力学直径相当的孔径范围，因此非常适用于气体分离材料。那么，只要把 MOF 制成薄膜选择层材料，就有望实现二氧化碳等气体分子的高效分离。然而，现行 MOF 分离薄膜的形貌往往是通过晶体颗粒或纳米片相互堆叠而成，颗粒间往往存在大量晶界和缺陷。

同时，晶体颗粒的取向杂乱无章。而且，由于需要形成连续层，往往会导致 MOF 薄膜的厚度较大。这些缺点都很大程度上都影响着 MOF 薄膜的分离性能，包括降低气体透过率和气体选择性等。因此，如何优化 MOF 薄膜的形貌，成为提升气体分离性能的关键。

对于理想状态的气体分离薄膜来说，它要求薄膜中的 MOF 具有良好的结晶性、高度取向性和连续性，同时厚度越薄、效果越好。其中，结晶性、高度取向性和连续性和气体选择性直接相关。这是因为只有具备统一孔径和取向的孔道结构，才能最大程度发挥 MOF 的气体分离性能。而想要实现气体通量的提升，最直接的办法就是减小 MOF 薄膜的厚度。因此，该团队在本次研究伊始定下这样一个目标：构筑极薄的、大面积连续、高度取向的 MOF 薄膜。后来，他们发现通过严格控制反应条件，采用极稀反应溶液和极短反应时间，就能在晶态基底表面构筑 MOF 薄膜。

而为了验证这款极薄薄膜的晶体结构，该团队借用了欧洲同步辐射光源，并与世界顶尖电子衍射专家合作，最终让极薄薄膜的晶体结构表征得以完成。日前，相关论文以《用于膜应用的单胞厚度沸石咪唑盐骨架膜》（Unit-cell-thick zeolitic imidazolate framework films for membrane application）为题发在 Nature Materials。

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