Activation-Controlled Structural Integrity in A520 MOF Membranes for Efficient CO2/N2 and CO2/CH4 Separation
Li-Tang Chi, Li-Wei Hsiao, Chia-Hui Chuang, Dun-Yen Kang*
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2026, 18, 38960–38971
國立臺灣大學 化學工程學系 康敦彥教授
本研究以鋁基金屬有機骨架(metal-organic framework, MOF)A520 為材料，開發出一套晶種二次成長法(secondary growth method)，成功在氧化鋁基板上製備厚度約 3 μm 的高品質多晶 A520 薄膜，並探討活化(activation)處理對薄膜結構與氣體分離性能的影響。
本研究比較了兩種活化方式：(1)直接乾燥以及(2)先以甲醇取代孔道中的水，再進行熱活化。結果發現，若直接加熱去除水分，水的高表面張力會在蒸發過程中產生毛細應力，導致 A520 晶格局部變形。雖然 SEM 顯示兩種薄膜具有相似外觀，但 XRD 可清楚觀察到直接乾燥樣品出現額外繞射峰，證明其晶格已受損。相反地，經甲醇置換後，較低的表面張力可避免乾燥造成的晶格扭曲，使薄膜維持完整的分子篩孔道。以甲醇處理並活化後的 A520 薄膜具有良好的 CO2/N2 與 CO2/CH4 理想選擇率，分別為 71 與 112。在混合氣體分離的測試中，當進料含 20% CO2 時，CO2/N2 分離係數更高達 153，超越 2019 年高分子薄膜的效能上限。然而，隨著 CO2 濃度提高，A520 薄膜的 CO2/N2 分離選擇性下降，顯示混合氣中的競爭吸附會影響傳輸行為。整體而言，本研究提出了高品質 A520 MOF 薄膜的製備方法，對 MOF薄膜於碳捕捉與工業氣體分離的應用具有重要參考價值。