華南理工Science子刊：電驅動制備剛性MOF膜實現丙烯丙烷高效分離

【引言】

丙烯是生產眾多化工產品的重要原料，然而丙烯通常與丙烷等雜質共存，目前工業上基于精餾法制備高純度丙烯需要消耗大量能量。相比而言，膜分離是一種更高效節能的方法，其可節省超過80%的能耗。其中，多孔膜分離可以基于分子尺寸差異對混合物進行有效篩分，然而丙烯和丙烷的尺寸極為相近，其動力學直徑僅相差0.02納米，對其實現高效膜分離是一個極大的挑戰。ZIF-8的有效孔徑介于丙烯丙烷分子尺寸之間，理論上可以實現其高效分離。但是受MOF材料配體轉動性限制，使得目前ZIF-8膜對丙烯丙烷的分離選擇性仍不夠理想，難以一步得到高純度產物，同時ZIF-8膜的制備方法大多較為繁瑣，限制了其潛在的工業應用價值。

【成果簡介】

近日，華南理工大學王海輝教授課題組報道了一種基于電化學超快速合成的剛性ZIF-8膜的思路，得到了極高的丙烯丙烷分離選擇性。該方法通過電流驅動，可以在十幾分鐘之內超快速制備出連續無缺陷的ZIF-8膜。由于ZIF-8材料是不導電的，因此生成的ZIF-8薄膜可以阻斷基底電流與溶液的接觸，從而抑制膜層的進一步生長，有利于制備出超薄的膜層；而對于膜層中存在缺陷的地方，基底電流與溶液的接觸則不會被阻斷，因此缺陷位置會被驅動繼續生長，直至修復完成，最終實現缺陷自修復的過程。在此基礎上，為了進一步提高ZIF-8膜的分離性能，作者提出了抑制材料柔性的思路。傳統的ZIF-8配體具有轉動性，因此較大的分子仍可以從其窗口中緩慢通過，從而難以得到較高的分離選擇性。在此工作中，作者巧妙地利用了電化學反應界面處的原位電場，使得ZIF-8的組裝過程在電場作用下發生，從而得到一種扭曲的相結構。與普通相結構相比，該扭曲的相結構具有更剛性的骨架結構，表現出更好的分子篩分能力。理論計算表明，剛性相ZIF-8對丙烯丙烷的分離選擇性是普通柔性相的3倍以上。最終，此剛性ZIF-8膜對丙烯丙烷的分離選擇性高達到300以上。該研究成果于近日發表在Science子刊Science Advances上，題為“Paralyzed Membrane: Current-Driven Synthesis of a Metal-Organic Framework with Sharpened Propene/Propane Separation”。華南理工大學王海輝教授為論文通訊作者，研究生周勝、魏嫣瑩研究員、李理波副教授為論文共同第一作者，漢諾威大學的Caro教授為論文的合作者。

【圖文導讀】

圖1?實驗裝置圖以及實驗設計思路圖

圖2?不同生長時間下膜層截面SEM圖

圖3?不同時間下合成的ZIF-8膜對丙烯丙烷的分離性能圖以及生長20分鐘得到的ZIF-8膜對丙烯丙烷分離的溫度曲線圖和穩定性圖

圖4?XRD精修結果圖和分子動力學模擬結果

【小結】

這項工作中，作者把MOF膜制備工藝、超薄厚度的控制、缺陷的修復以及柔性控制等多個復雜技術難題的解決，整合到耗時僅數分鐘的一步電合成過程中，為膜分離技術的發展帶來了新的思路。

論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/4/10/eaau1393

通訊作者簡介：王海輝，華南理工大學化學與化工學院教授。2004年入選德國洪堡學者, 2007年入選教育部新世紀優秀人才計劃，2011年入選廣東省珠江學者特聘教授，2012年獲得國家杰出青年科學基金，2015年入選科技部中青年科技創新領軍人才，2016年入選英國皇家化學會Fellow，2017年入選第三批國家“萬人計劃”科技創新領軍人才，2018年獲聘教育部長江學者特聘教授，2018年入選廣東省特支計劃“杰出人才”。在Nat. Commun., Sci. Advances, Joule, Angew. Chem. Int. Ed., JACS, Adv. Mater., AIChEJ.等學術期刊上發表SCI論文200余篇，論文被SCI引用萬余次，H因子:53 ，ESI高引論文13篇，封面論文5篇，獲授權國家發明專利15項。曾獲得國家自然科學二等獎，廣東省科學技術一等獎和侯德榜化工科技創新獎。（課題組網頁：http://www.scut.hhwang.ycym.com/）

本文由華南理工大學課題組供稿，材料人編輯部編輯。

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