Nature：电合成MOF膜实现迄今为止最高的分离效率

电合成MOF膜实现迄今为止最高的分离效率

【导读】

为了使用天然气作为煤炭和石油的替代原料，其主要成分甲烷需要高纯度的分离。其中氮气(N2)的存在会极大的稀释天然气的热值，致使天然气的不完全利用，因此势必要从开采的天然气中除去N₂。然而，N₂的惰性及其在动力学尺寸、极化率和沸点等方面与甲烷的相似性，对发展高效节能的脱氮工艺提出了特别的挑战。

【成果掠影】

沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学周胜为第一作者，Mohamed Eddaoudi为通讯作者，报告了一种基于富马酸(fum)与甲基富马酸(mes)混合配体构筑的金属-有机框架(MOF)膜，具有特定于天然气有效脱氮的孔径形状。其不对称的三角形窗口实现了气体分子形态的选择性匹配，展示了一种前所未有的全新气体膜分离机理，同时也表现出了迄今为止最高的N₂/CH₄分离效率。该MOF膜在高达50 bar的实际压力下表现出创纪录的高氮气/甲烷选择性和氮气透过率，同时脱除天然气中的二氧化碳和氮气。技术经济分析表明，相对于低温精馏和胺基二氧化碳捕集，我们的膜提供了将甲烷净化成本降低66%左右的脱氮潜力和73%左右的同时脱除二氧化碳和氮气的潜力。相关论文以题为“Asymmetric pore windows in MOF membranes for natural gas valorization”发表在Nature上。

【数据概况】

图1. 基于形状差异的孔径编辑和形状失配诱导分离的示意图

图2. MOF膜的成分与形貌的表征

图3. MOF膜的分离性能和扩散能垒

图4. MOF膜在实际条件下的N₂/CH₄分离性能综合评价

【成果启示】

总而言之，本工作提出了以水为溶剂的MOF纯膜的电化学合成方法。本工作通过设计不对称窗口，利用气体分子在形态上的差异来实现分离。本工作的策略不仅使得该材料表现出了迄今为止最高的N₂/CH₄分离效率，同时也为MOF膜材料在气体分离领域的应用提供了一种新的思路。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04763-5