大連化物所實現純相MOF膜用于有機酸脫水精制

中科院大連化學物理研究所3月17日訊:近日,中國科學院大連化學物理研究所催化基礎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法制備出高度致密且穩定的金屬-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省77%,實現了純相MOF膜應用于有機酸/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、醫藥或農藥中間體等.酸脫水精制是化工行業迫切需要且極具挑戰的分離過程.傳統精餾分離能耗較高.滲透氣化膜分離技術可突破氣液平衡限制,實現酸/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:除材料本征框架穩定性外,高度致密的微結構是保證分離精度和分離穩定性的關鍵.金屬-有機框架(metal-organic framework, MOF)材料的可設計性與豐富的主客體化學為膜分離領域帶來機遇.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自轉變過程制備出高度致密的MIL-53膜.研究發現,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MIL-53晶體沿面外進行印跡復制型生長,約8個LDH六方晶格被同步替換為1個MIL-53正交晶格,形成膜的基礎架構;在第二個階段,隨著LDH模板犧牲,可動態調控氧化鋁載體中鋁源的可用性,引導MIL-53晶體沿面內準正交生長,協同獲得高度致密的MIL-53膜.該膜呈現優異的甲酸、乙酸脫水分離性能以及連續運行穩定性.尤其重要的是,MIL-53膜可實現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省約77%.

相關工作以“A LDH Template Triggers the Formation of a Highly Compact MIL-53 Metal-Organic Framework Membrane for Acid Upgrading”為題,于近日發表在《德國應用化學》(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基金等項目支持.

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