近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室無(wú)機(jī)膜與催化新材料研究組研究員楊維慎、副研究員班宇杰團(tuán)隊(duì)通過模板誘導(dǎo)法制備出高度致密且穩(wěn)定的金屬—有機(jī)框架MIL-53膜，用于有機(jī)酸脫水精制，與精餾相比分離能耗節(jié)省77%，實(shí)現(xiàn)了純相MOF膜應(yīng)用于有機(jī)酸/水分離體系。
甲酸、乙酸是重要的化工平臺(tái)化合物，可通過廣泛的有機(jī)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(shí)現(xiàn)酸/水高效分離。但分離體系的強(qiáng)腐蝕性對(duì)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(jī)框架（metal-organic framework, MOF）材料的可設(shè)計(jì)性與豐富的主客體化學(xué)為膜分離領(lǐng)域帶來(lái)機(jī)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(xiàng)挑戰(zhàn)性課題。
大連化物所實(shí)現(xiàn)純相MOF膜用于有機(jī)酸脫水精制
基于上述問題，研究團(tuán)隊(duì)以氧化鋁載體表面生長(zhǎng)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(zhǎng)分為兩個(gè)階段：在第一個(gè)階段，LDH作為鋁源供給型模板，可引導(dǎo)MIL-53晶體沿面外進(jìn)行印跡復(fù)制型生長(zhǎng)，約8個(gè)LDH六方晶格被同步替換為1個(gè)MIL-53正交晶格，形成膜的基礎(chǔ)架構(gòu)；在第二個(gè)階段，隨著LDH模板犧牲，可動(dòng)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(zhǔn)正交生長(zhǎng)，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(yùn)行穩(wěn)定性。尤其重要的是，MIL-53膜可實(shí)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(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上，并被選為熱點(diǎn)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(chéng)。以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。（文/圖 班宇杰、王悅誠(chéng)）
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202302181
