近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室無機膜與催化新材料研究組（504組）楊維慎研究員、班宇杰副研究員團隊通過模板誘導法制備出高度致密且穩(wěn)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(jié)省77%，實現(xiàn)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(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，實現(xiàn)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(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—有機框架（metal-organic framework, MOF）材料的可設(shè)計性與豐富的主客體化學為膜分離領(lǐng)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(wěn)定性MOF材料。但制備可用于酸/水分離的高度致密MIL-53膜仍是一項挑戰(zhàn)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(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(chǔ)架構(gòu)；在第二個階段，隨著LDH模板犧牲，可動態(tài)調(diào)控氧化鋁載體中鋁源的可用性，引導MIL-53晶體沿面內(nèi)準正交生長，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)運行穩(wěn)定性。尤其重要的是，MIL-53膜可實現(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504組博士研究生王悅誠。以上工作得到國家自然科學基金等項目支持。（文/圖 班宇杰、王悅誠）
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202302181
