電合成MOF膜實現迄今為止最高的電合分離效率
【導讀】
為了使用天然氣作為煤炭和石油的替代原料，其主要成分甲烷需要高純度的成M材料分離。其中氮氣(N2)的膜實存在會極大的稀釋天然氣的熱值，致使天然氣的現迄效率不完全利用，因此勢必要從開采的止最天然氣中除去N2。然而，分離N2的電合惰性及其在動力學尺寸、極化率和沸點等方面與甲烷的成M材料相似性，對發展高效節能的膜實脫氮工藝提出了特別的挑戰。
【成果掠影】
沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學周勝為第一作者，現迄效率Mohamed Eddaoudi為通訊作者，止最報告了一種基于富馬酸(fum)與甲基富馬酸(mes)混合配體構筑的分離金屬-有機框架(MOF)膜，具有特定于天然氣有效脫氮的電合孔徑形狀。其不對稱的成M材料三角形窗口實現了氣體分子形態的選擇性匹配，展示了一種前所未有的膜實全新氣體膜分離機理，同時也表現出了迄今為止最高的N2/CH4分離效率。該MOF膜在高達50?bar的實際壓力下表現出創紀錄的高氮氣/甲烷選擇性和氮氣透過率，同時脫除天然氣中的二氧化碳和氮氣。技術經濟分析表明，相對于低溫精餾和胺基二氧化碳捕集，我們的膜提供了將甲烷凈化成本降低66%左右的脫氮潛力和73%左右的同時脫除二氧化碳和氮氣的潛力。相關論文以題為“Asymmetric pore windows in MOF membranes for natural gas valorization”發表在Nature上。
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【數據概況】
圖1. 基于形狀差異的孔徑編輯和形狀失配誘導分離的示意圖
圖2. MOF膜的成分與形貌的表征
圖3. MOF膜的分離性能和擴散能壘
圖4. MOF膜在實際條件下的N2/CH4分離性能綜合評價
【成果啟示】
總而言之，本工作提出了以水為溶劑的MOF純膜的電化學合成方法。本工作通過設計不對稱窗口，利用氣體分子在形態上的差異來實現分離。本工作的策略不僅使得該材料表現出了迄今為止最高的N2/CH4分離效率，同時也為MOF膜材料在氣體分離領域的應用提供了一種新的思路。
文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04763-5
