中科院大連化學(xué)物理研究所3月17日訊:近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室無機膜與催化新材料研究組研究員楊維慎、副研究員班宇杰團隊通過模板誘導(dǎo)法制備出高度致密且穩(wěn)定的金屬-有機框架MIL-53膜,用于有機酸脫水精制,與精餾相比分離能耗節(jié)省77%,實現(xiàn)了純相MOF膜應(yīng)用于有機酸/水分離體系.

甲酸、乙酸是重要的化工平臺化合物,可通過廣泛的有機合成,獲得聚合單體、醫(yī)藥或農(nóng)藥中間體等.酸脫水精制是化工行業(yè)迫切需要且極具挑戰(zhàn)的分離過程.傳統(tǒng)精餾分離能耗較高.滲透氣化膜分離技術(shù)可突破氣液平衡限制,實現(xiàn)酸/水高效分離.但分離體系的強腐蝕性對膜材料提出更高要求:除材料本征框架穩(wěn)定性外,高度致密的微結(jié)構(gòu)是保證分離精度和分離穩(wěn)定性的關(guān)鍵.金屬-有機框架(metal-organic framework, MOF)材料的可設(shè)計性與豐富的主客體化學(xué)為膜分離領(lǐng)域帶來機遇.其中,鋁基羧酸配位單元衍生得到的MIL-53材料是典型的高穩(wěn)定性MOF材料.但制備可用于酸/水分離的高度致密MIL-53膜仍是一項挑戰(zhàn)性課題.

基于上述問題,研究團隊以氧化鋁載體表面生長的鋅-鋁雙金屬水滑石直立片層為模板,通過其在配體溶液中的化學(xué)自轉(zhuǎn)變過程制備出高度致密的MIL-53膜.研究發(fā)現(xiàn),MIL-53膜的生長分為兩個階段:在第一個階段,LDH作為鋁源供給型模板,可引導(dǎo)MIL-53晶體沿面外進行印跡復(fù)制型生長,約8個LDH六方晶格被同步替換為1個MIL-53正交晶格,形成膜的基礎(chǔ)架構(gòu);在第二個階段,隨著LDH模板犧牲,可動態(tài)調(diào)控氧化鋁載體中鋁源的可用性,引導(dǎo)MIL-53晶體沿面內(nèi)準正交生長,協(xié)同獲得高度致密的MIL-53膜.該膜呈現(xiàn)優(yōu)異的甲酸、乙酸脫水分離性能以及連續(xù)運行穩(wěn)定性.尤其重要的是,MIL-53膜可實現(xiàn)70 wt.%甲酸共沸物幾乎完全脫水(滲透物中水含量為98.9%),分離能耗與共沸精餾相比節(jié)省約77%.

相關(guān)工作以“A LDH Template Triggers the Formation of a Highly Compact MIL-53 Metal-Organic Framework Membrane for Acid Upgrading”為題,于近日發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)上,并被選為熱點文章(Hot Paper).該工作的第一作者是大連化物所博士研究生王悅誠.以上工作得到國家自然科學(xué)基金等項目支持.

文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202302181