华南理工Science子刊：电驱动制备刚性MOF膜实现丙烯丙烷高效分离

【引言】

丙烯是生产众多化工产品的重要原料，然而丙烯通常与丙烷等杂质共存，目前工业上基于精馏法制备高纯度丙烯需要消耗大量能量。相比而言，膜分离是一种更高效节能的方法，其可节省超过80%的能耗。其中，多孔膜分离可以基于分子尺寸差异对混合物进行有效筛分，然而丙烯和丙烷的尺寸极为相近，其动力学直径仅相差0.02纳米，对其实现高效膜分离是一个极大的挑战。ZIF-8的有效孔径介于丙烯丙烷分子尺寸之间，理论上可以实现其高效分离。但是受MOF材料配体转动性限制，使得目前ZIF-8膜对丙烯丙烷的分离选择性仍不够理想，难以一步得到高纯度产物，同时ZIF-8膜的制备方法大多较为繁琐，限制了其潜在的工业应用价值。

【成果简介】

近日，华南理工大学王海辉教授课题组报道了一种基于电化学超快速合成的刚性ZIF-8膜的思路，得到了极高的丙烯丙烷分离选择性。该方法通过电流驱动，可以在十几分钟之内超快速制备出连续无缺陷的ZIF-8膜。由于ZIF-8材料是不导电的，因此生成的ZIF-8薄膜可以阻断基底电流与溶液的接触，从而抑制膜层的进一步生长，有利于制备出超薄的膜层；而对于膜层中存在缺陷的地方，基底电流与溶液的接触则不会被阻断，因此缺陷位置会被驱动继续生长，直至修复完成，最终实现缺陷自修复的过程。在此基础上，为了进一步提高ZIF-8膜的分离性能，作者提出了抑制材料柔性的思路。传统的ZIF-8配体具有转动性，因此较大的分子仍可以从其窗口中缓慢通过，从而难以得到较高的分离选择性。在此工作中，作者巧妙地利用了电化学反应界面处的原位电场，使得ZIF-8的组装过程在电场作用下发生，从而得到一种扭曲的相结构。与普通相结构相比，该扭曲的相结构具有更刚性的骨架结构，表现出更好的分子筛分能力。理论计算表明，刚性相ZIF-8对丙烯丙烷的分离选择性是普通柔性相的3倍以上。最终，此刚性ZIF-8膜对丙烯丙烷的分离选择性高达到300以上。该研究成果于近日发表在Science子刊Science Advances上，题为“Paralyzed Membrane: Current-Driven Synthesis of a Metal-Organic Framework with Sharpened Propene/Propane Separation”。华南理工大学王海辉教授为论文通讯作者，研究生周胜、魏嫣莹研究员、李理波副教授为论文共同第一作者，汉诺威大学的Caro教授为论文的合作者。

【图文导读】

图1 实验装置图以及实验设计思路图

图2 不同生长时间下膜层截面SEM图

图3 不同时间下合成的ZIF-8膜对丙烯丙烷的分离性能图以及生长20分钟得到的ZIF-8膜对丙烯丙烷分离的温度曲线图和稳定性图

图4 XRD精修结果图和分子动力学模拟结果

【小结】

这项工作中，作者把MOF膜制备工艺、超薄厚度的控制、缺陷的修复以及柔性控制等多个复杂技术难题的解决，整合到耗时仅数分钟的一步电合成过程中，为膜分离技术的发展带来了新的思路。

论文链接：http://advances.sciencemag.org/content/4/10/eaau1393

通讯作者简介：王海辉，华南理工大学化学与化工学院教授。2004年入选德国洪堡学者, 2007年入选教育部新世纪优秀人才计划，2011年入选广东省珠江学者特聘教授，2012年获得国家杰出青年科学基金，2015年入选滚球体育 部中青年滚球体育 创新领军人才，2016年入选英国皇家化学会Fellow，2017年入选第三批国家“万人计划”滚球体育 创新领军人才，2018年获聘教育部长江学者特聘教授，2018年入选广东省特支计划“杰出人才”。在Nat. Commun., Sci. Advances, Joule,Angew. Chem. Int. Ed., JACS, Adv. Mater., AIChEJ.等学术期刊上发表SCI论文200余篇，论文被SCI引用万余次，H因子:53 ，ESI高引论文13篇，封面论文5篇，获授权国家发明专利15项。曾获得国家自然科学二等奖，广东省科学技术一等奖和侯德榜化工滚球体育 创新奖。（课题组网页：http://www.scut.hhwang.ycym.com/）

本文由华南理工大学课题组供稿，材料人编辑部编辑。

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