用于高效气体分离的可扩展准纯MOF膜

《Nature》：Scalable quasi-pure MOF membranes for energy-efficient gas separations

　　

摘要

金属有机框架膜在解决高能耗气体分离过程中的能量问题方面具有巨大潜力^1,2,3,4,5。要成功将基于MOF的膜应用到实际领域中，就必须制定出便捷且可大规模应用的制备方法^6,7,8。本文介绍了一种新的膜结构——准纯MOF膜（MOF含量超过90%），该膜可通过成熟的溶液处理技术大规模生产，其分离性能接近纯MOF膜，从而充分发挥了MOF的潜在优势。这一成果得益于一种融合策略，即将MOF与聚合物结合成单一的伪连续相，使MOF具备类似聚合物的表面特性，即便在极高固体浓度下也能实现受控的絮凝结构。我们以常见的基准MOF材料（ZIF-67、CALF-20和CuBDC）为原料制备了准纯膜，并对其在丙烯/丙烷、乙烯/乙烷分离以及碳捕获和氢气提纯等关键应用中的性能进行了测试。在工业应用层面，某工厂已实现了准纯(110)取向ZIF-67膜的连续卷对卷生产。在丙烯/丙烷分离应用中，这类膜的丙烯渗透率可达约160巴尔，混合气体选择率约为100，这一性能足以用于生产聚合物级丙烯，而且根据技术经济分析，其纯化成本比传统蒸馏法低80%。这项研究填补了高要求分子分离用晶体膜在性能与可规模化生产之间的长期差距。