北京理工大学王博教授JACS：缺陷工程金属有机框架革新静电分离技术，实现高效脂蛋白吸附

静电分离技术在生物分离、能量转换和水处理中扮演着关键角色，其效率主要取决于分离材料的电荷密度和电荷保留能力。然而，传统方法如等离子处理或化学功能化虽能引入静电电荷，但往往产生弱且易受环境影响的静电场。此外，传统聚合物驻极体由于分子链运动导致电荷耗散，电荷密度低且保留能力有限。尽管引入介电纳米颗粒可改善性能，但如何在提高电荷密度的同时抑制电荷耗散，仍是实现稳定高效静电分离的重大挑战。

近日，北京理工大学王博教授、冯霄、Li Jie课题组提出了一种创新策略：通过将缺陷工程的沸石咪唑酯框架（ZIFs）嵌入聚合物基质，构建出高性能驻极体材料。该复合薄膜在静电极化后，不仅能显著提升电荷密度，还能有效抑制电荷耗散。其中，缺陷ZIF-8复合膜在14天后仍能保持97.4%的表面电位，对带正电的低密度脂蛋白（LDL）吸附容量高达487.6 mg/g，且在血清中实现了63.5的高LDL/高密度脂蛋白（HDL）选择性，远超以往报道材料，同时具备优异的生物安全性。这一缺陷诱导的驻极体增强策略，为DNA纯化、锂提取及蛋白质分离等精密分离应用提供了新思路。相关论文以“Metal–Organic Frameworks with Enhanced Electret Capability for Selective Electrostatic Separation”为题，发表在

JACS

研究团队通过静电纺丝将ZIFs与聚丙烯腈（PAN）复合制成薄膜，并利用电晕极化进一步提升电荷密度。示意图显示，缺陷ZIFs通过增强偶极极化和形成具有高逃逸活化能的电荷陷阱，显著提升了驻极体性能。图中进一步比较了不同薄膜的静电性能：ZIF/PAN薄膜的表面电位显著高于PAN和ZnO/PAN薄膜，其初始和稳定电位分别达到1.51 kV和0.83 kV，分别是ZnO/PAN膜的3.4倍和3.7倍。此外，ZIF/PAN薄膜在高频下仍保持较高的介电常数，且热刺激去极化电流显示其具有更高的电荷逃逸活化能，说明ZIFs能有效促进电荷重新分布与稳定。

示意图1.缺陷工程ZIFs表现出增强的驻极体性能，归因于偶极极化和具有较高电荷逃逸活化能的电荷陷阱。

为进一步提升电荷保留能力，团队采用二甲酚橙 对ZIF-8进行不同时间的蚀刻，制备出缺陷ZIF-8-Eₓ系列材料。X射线衍射和氮气吸附测试表明，适度蚀刻（如6小时）可在保持晶体结构的同时引入额外微孔，而过度蚀刻则导致结构坍塌。XPS深度分析显示，缺陷主要分布在晶体表层，且N/Zn原子比从表面向内部递减。电性能测试中，ZIF-8-E₆/PAN薄膜表现出卓越的初始和稳定表面电位（1.95 kV和1.92 kV），分别是ZIF-8/PAN膜的1.3倍和2.3倍，且在14天内电荷保留率高达97.4%。其介电常数和电荷逃逸活化能也显著提升，说明表面缺陷引入了更深、更多的电荷陷阱，增强了极化与电荷保留能力。

图1.（a）PAN、ZnO/PAN和ZIF/PAN薄膜的初始和稳定表面电位。 （b）PAN、ZnO/PAN和ZIF/PAN薄膜在10³–10⁶ Hz频率下测量的介电常数。 （c）从PAN、ZnO/PAN和ZIF/PAN薄膜的热刺激去极化电流计算的电荷逃逸活化能。

图2.（a）ZIF-8和ZIF-8-Eₓ（x=1,6,8,12）的PXRD图谱。 （b）ZIF-8和ZIF-8-Eₓ的孔径分布；孔径分布计算模型为非局部密度泛函理论（NLDFT）模型。 （c）通过XPS谱在三个不同蚀刻深度确定的ZIF-8和ZIF-8-Eₓ的N/Zn原子比。 （d）ZIF-8/PAN和ZIF-8-Eₓ/PAN薄膜的表面电位衰减曲线；表面电位计算基于均匀电场公式。 （e）PAN、ZIF-8/PAN和ZIF-8-Eₓ/PAN薄膜在1 kHz和1 MHz下的介电常数。 （f）PAN、ZIF-8/PAN和ZIF-8-Eₓ/PAN薄膜的热刺激去极化电流曲线。

在实际应用测试中，团队将驻极体薄膜用于血清中LDL的选择性吸附。结果显示，所有薄膜均能有效吸附LDL且对HDL吸附极少，其中ZIF-8-E₆/PAN膜的吸附容量和LDL/HDL选择性分别达到487.6 mg/g和63.5，创下新高。吸附动力学符合拟一级模型，说明吸附主要由物理作用主导，与静电相互作用机制一致。在动态测试中，该膜更实现了516.0 mg/g的LDL吸附量和72.0的选择性，能满足冠心病重症患者的临床需求。此外，该膜还对甘油三酯（TG）具有75%的过滤率，且在不同温度下吸附性能均保持稳定。生物安全性评估表明，该材料无细胞毒性、不引起溶血、对血液成分影响极小，具备良好的生物相容性。

图3.（a）PAN、ZIF-8/PAN和ZIF-8-E₆/PAN薄膜对LDL的吸附容量（柱状）及相应的LDL/HDL选择性（点状），使用单一患者血脂样本测量。 （b）LDL在薄膜上的吸附动力学数据（虚线）及拟一级模型非线性拟合（实线）。 （c）本研究与以往文献中LDL/HDL选择性和LDL吸附容量的对比。 （d）PAN、ZIF-8/PAN和ZIF-8-E₆/PAN薄膜吸附后LDL的残余浓度，彩色区域对应不同患者的临床需求。 （e）吸附动力学测试中甘油三酯（TG）的初始与残余浓度。 （f）薄膜的抗凝活性。统计显著性表示为 0.01 < P < 0.05；P < 0.01；P < 0.001；ns表示P > 0.05。

综上所述，该研究通过引入刚性框架与可控缺陷，成功实现了电荷的再分布与稳定，并创建出具有高逃逸能的电荷陷阱，从而显著提升了驻极体的电荷密度与保留能力。这类材料在脂蛋白吸附等精密分离系统中展现出巨大应用潜力，为设计下一代静电吸附剂提供了重要理论与实践基础。