《Nature Energy》：电化学合成MOF膜，助力工业化轻烃分离！

高效实现轻烃分离，特别是烯烃/烷烃和烷烃的异构体，对开发可持续的石油化学商品至关重要。值得注意的是，分子筛膜代表一个有前途的，替代昂贵和能源密集型的常规低温蒸馏方法，由于其潜在的选择性分离混合气体，能够大幅度降低能量输入。为了使这种方法取得成功，膜必须在高进料压力下运行，并且高度稳定和坚固，以抵抗有时含有微量腐蚀性气体的上游原料。由于目前的聚合物或混合基质膜 (MMM) 缺乏所需的渗透选择性，并且大部分在高压下增塑，一些含氟聚合物除外。基于周期性多孔材料，即金属-有机骨架（MOFs）的多晶膜，具有精确控制的孔径尺寸，是优异选择膜的有力竞争者。但其工业化进程还面临着巨大挑战。其中，面心立方 ( fcu )-MOFs具有独特的分子筛分特性和优异的化学稳定性，但使用传统溶剂热方法制备的fcu-MOF具有众多缺陷，导致了其具有可见针孔和裂缝的非连续薄膜。

基于此，阿卜杜拉国王科技大学Mohamed Eddaoudi报告了一种通用的电化学定向组装策略来制造用于分离烃的多晶金属-有机骨架膜。制造了一系列基于具有不同配体的稀土或锆六核簇的面心立方金属-有机骨架膜（(fcu)-MOFs）。相关论文以题为“Electrochemical synthesis of continuous metal-organic framework membranes for separation of hydrocarbons”发表在Nature Energy。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00881-y

具体来说，引入电化学作为控制配体去质子化和交换过程的一种手段，从基于多核簇的 MOF中提供无缺陷膜层的受控组装，制备了九个具有各种金属簇和/或有机配体的网状fcu-MOF膜。尤其是基于富马酸盐 (fum) 的膜 Zr-fum-fcu-MOF和Y-fum-fcu-MOF，作为孔系统的唯一入口，表现出对丙烯/丙烷和丁烷/异丁烷混合物的高效筛分。同时，将进料压力增加到7个大气压的工业化环境，总通量和分离选择性的性能都能提高。工艺设计分析表明，对于丙烯/丙烷分离，在混合膜蒸馏系统中安装这种面心立方富马酸锆基金属有机骨架膜，有可能将能量输入降低近90%。

 

图1. 网状fcu-MOFs和fcu-MOF薄膜的设计合成

图2. 制备的fcu-MOF薄膜的SEM图像和XRD

图3. fcu-MOF薄膜的气体分离性能

图4. 实际条件下Zr-fum-fcu-MOF薄膜的分离性能

图5. 蒸馏与混合膜蒸馏系统的技术经济分析对比

总之，本文为了解决具有挑战性的轻烃分离问题，通过构建具有稳定固有分子筛分特性的连续和无缺陷fcu-MOF膜，成功证明了网状化学与电化学合成方法的合理设计组合。根据技术经济分析，此类膜能够提供约90%的节能潜力和67%的成本节约。这项工作中引导假设和实践的成功结合的快速和高通量筛选方法，有助于探索之前未探索的多晶MOF薄膜。廉价，简便和温和的膜制造过程为大规模生产提供了前景，使MOF薄膜更接近实际应用和为可持续能源的未来做出贡献。（文：Doublenine）

 

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。