过程工程所揭示导电MOF薄膜中水同位素限域传输新机制

过程工程所研究员姚明水与吉林大学教授陈龙等合作，通过构筑具有取向孔道和质子-电子耦合传导特征的二维π共轭导电金属有机框架（conductive metal–organic frameworks，cMOFs）薄膜，实现了对水（H₂O）和重水（D₂O）在限域空间中多阶段传输行为的实时区分，并发现了独特的序列依赖非对称同位素置换现象。相关工作于9月1日发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.7017206）。

水同位素分离和识别是医学、化学及生命科学等领域的关键技术。H₂O与D₂O的分子尺寸及宏观理化性质高度相似，在多孔介质中的平衡吸附差异有限，仅凭终态吸附量难以判定同位素差异缘由。传统方法难以捕捉两者在限域空间内的传输差异。粉体材料中的随机晶粒取向、晶界和晶间孔隙会引入多向传输，掩盖孔道的本征各向异性。质子传导占优的材料主要对快速水合过程响应，易掩盖后续传输与重组差异；电子传导占优且孔径较大的材料虽具特殊柔性响应行为，但限域效应不足，难以有效放大孔内传输差异。因此，构建兼具取向窄孔道、适度框架柔性和质子-电子耦合传导的薄膜，并通过质量与电学信号协同解析多阶段传输过程，是实时识别水同位素限域行为的关键。

针对上述问题，研究团队以非平面、柔性且富含疏水单元的八羟基四苯基苯（TPB）为配体，采用自研喷雾式层层自组装（LbL）技术，制备了具有取向窄孔道和质子-电子耦合传导特征的CuTPB薄膜。通过同步辐射掠入射广角X射线散射与理论计算证实，该薄膜孔道主要沿膜法向排列，电子输运以膜面内方向为主。

在此基础上，团队自主搭建了质量-电学双传导综合测试平台：MEMS谐振微悬臂解析吸附质量及动力学阶段，化学电阻传感器则利用薄膜质子-电子耦合传导特性，将外表面快速水合、孔内迁移及客体-框架重组转化为可分辨的多阶段电流信号。两类独立信号在动力学阶段和同位素变化趋势上相互印证，从而实现对水同位素外表面-孔内传输过程的实时解析。在D₂O/H₂O顺序暴露实验中，CuTPB薄膜在20%相对湿度下的电学置换因子α达到7.0。结合红外光谱、X射线衍射等通用型高时空分辨原位工况池表征和分子动力学模拟，研究团队发现较为持久的D₂O限域氢键状态可抑制后续H₂O的慢阶段吸附与重组，从而产生显著的序列依赖非对称同位素置换响应。该研究为扩散调控材料设计与同位素分离过程实时监测提供了方法基础。

图 取向导电MOF薄膜中水同位素体多阶段传输与质子-电子耦合电学响应机制

近年来，围绕软孔晶态材料的可控制备、界面与取向调控及其限域空间内传输行为的原位工况表征解析等关键科学问题，姚明水研究员团队持续开展颗粒动态调控多组分精准识别、原位工况池解析微纳尺度限域传递和软孔-门控组合提升痕杂难气体精确快速分离研究。相关工作发表于Angew. Chem. Int. Ed. 2026, DOI: 10.1002/anie.7017206；J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 28724；Adv. Sci. 2026, e23720；Nano-Micro Lett. 2026, 18, 371；Small 2026, 22, e73200(back cover)；Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202419195；Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63(16), e202401679；Environ. Sci. Technol. 2024, 58(50), 22456；PNAS 2023, 120(40), e2305125120；Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62(35), e202303903(inside back cover)；Trends Chem. 2023, 5(8), 588；Natl. Sci. Rev. 2022, 9(10), nwac143等期刊。

论文第一作者为过程工程所博士生褚赛。该工作得到国家自然科学基金、介科学与过程工程全国重点实验室自主部署基金、中国科学院国际人才计划（PIFI）、CAS-JSPS合作研究项目、福建省自然科学基金及河南大学化学学科开放合作基金等支持。该工作利用中国科学院过程工程研究所怀柔工程介科学交叉研究中心设施完成。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.7017206

（介科学与过程工程全国重点实验室、材料与环境工程研究部）