大连化物所实现纯相MOF膜用于有机酸脱水精制

中科院大连化学物理研究所3月17日讯:近日,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室无机膜与催化新材料研究组研究员杨维慎、副研究员班宇杰团队通过模板诱导法制备出高度致密且稳定的金属-有机框架MIL-53膜,用于有机酸脱水精制,与精馏相比分离能耗节省77%,实现了纯相MOF膜应用于有机酸/水分离体系.

甲酸、乙酸是重要的化工平台化合物,可通过广泛的有机合成,获得聚合单体、医药或农药中间体等.酸脱水精制是化工行业迫切需要且极具挑战的分离过程.传统精馏分离能耗较高.渗透气化膜分离技术可突破气液平衡限制,实现酸/水高效分离.但分离体系的强腐蚀性对膜材料提出更高要求:除材料本征框架稳定性外,高度致密的微结构是保证分离精度和分离稳定性的关键.金属-有机框架(metal-organic framework, MOF)材料的可设计性与丰富的主客体化学为膜分离领域带来机遇.其中,铝基羧酸配位单元衍生得到的MIL-53材料是典型的高稳定性MOF材料.但制备可用于酸/水分离的高度致密MIL-53膜仍是一项挑战性课题.

基于上述问题,研究团队以氧化铝载体表面生长的锌-铝双金属水滑石直立片层为模板,通过其在配体溶液中的化学自转变过程制备出高度致密的MIL-53膜.研究发现,MIL-53膜的生长分为两个阶段:在第一个阶段,LDH作为铝源供给型模板,可引导MIL-53晶体沿面外进行印迹复制型生长,约8个LDH六方晶格被同步替换为1个MIL-53正交晶格,形成膜的基础架构;在第二个阶段,随着LDH模板牺牲,可动态调控氧化铝载体中铝源的可用性,引导MIL-53晶体沿面内准正交生长,协同获得高度致密的MIL-53膜.该膜呈现优异的甲酸、乙酸脱水分离性能以及连续运行稳定性.尤其重要的是,MIL-53膜可实现70 wt.%甲酸共沸物几乎完全脱水(渗透物中水含量为98.9%),分离能耗与共沸精馏相比节省约77%.

相关工作以“A LDH Template Triggers the Formation of a Highly Compact MIL-53 Metal-Organic Framework Membrane for Acid Upgrading”为题,于近日发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上,并被选为热点文章(Hot Paper).该工作的第一作者是大连化物所博士研究生王悦诚.以上工作得到国家自然科学基金等项目支持.

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202302181