大连化物所实现取向MOF膜用于多组分正异构烷烃分离

       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、班宇杰团队，实现了取向金属-有机框架（Metal-Organic Framework，MOF）膜用于直链/支链正异构烷烃分离。该过程与精馏相比，可节省91%的分离能耗。

C₅-C₇的直链/支链正异构烷烃是重要的石油化学品。其中，直链烷烃可裂解制乙烯，支链烷烃可调和汽油，将二者分离是实现下游产物优化利用的前提。然而，烷烃分子化学性质与极性相似，分离难度大。解决这一难题的关键在于，如何基于正异构烷烃分子尺寸差异，构建适配型筛分孔阵列。

金属-有机框架丰富的孔道结构为正异构烷烃分子筛分提供了机遇。而由于MOF孔结构多为各向异性，若将MOF制备成膜，则需控制其取向，以确保特定尺寸筛分孔的面外有序排列。HKUST-1是典型的金属-有机框架材料，由双核桨轮型铜基单元与均苯三甲酸配位连接形成面心立方网格。其中，贯穿{111}晶面的三角孔尺寸约为0.46nm，恰好位于正异构烷烃的动力学直径之间，是理想的筛分孔。因此，制备{111}取向HKUST-1膜有望实现正异构烷烃分离。

膜的取向往往与其构筑砌块的形貌相匹配。调控取向的根本途径是通过生长界面的微区反应设计，调节晶体不同晶面的生长速率，以获得特定形貌的膜构筑砌块。本工作采用溶液中静态播种预晶核与移除溶液热转变过程耦合，在终止竞争性体相成核与生长的同时，将反应完全限制在载体界面处，凭借界面显著的梯度型养分变化，对目标晶面的生长速率进行调控，获得由八面体构筑块紧密砌合的{111}取向HKUST-1膜。该膜可实现多种C₅-C₇直链/支链正异构烷烃高效筛分，分离能耗相比精馏可降低91%。此外，研究发现，可从10组分模拟石脑油（每种组分质量占比10%）中一步提取C₅-C₇直链烷烃，展现了对复杂体系分离的应用前景。

相关研究成果以Energy-efficient extraction of linear alkanes from various isomers using structured metal-organic framework membrane为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会等的支持。

消息来源：中国科学院官网