我室无机膜与催化新材料研究组（504组）杨维慎研究员和彭媛副研究员团队在丙烯和丙烷膜分离技术研究领域取得新进展。团队受自然界生物体表机械保护的形貌结构启发，创新性地设计制备了具有纵横交织结构的耐磨损MOF（即ZIF-67）膜材料，有效解决了骨架柔性孔笼“开门”效应、膜晶间缺陷限制膜精准筛分丙烯能力、多晶膜表面不耐磨损等问题，为丙烯和丙烷的高效分离膜材料的开发和实际应用提供了新途径。
聚合级丙烯（纯度>99.5%）是重要的基础化工原料。目前，丙烯的主要生产工艺为蒸汽裂解及丙烷脱氢，但是该过程的产品气中伴随丙烷。丙烯和丙烷物化性质极为接近，二者分离被列为最耗能分离过程之一。分子筛膜为丙烯和丙烷分离提供了一条节能、高效的技术路线，相较精馏等传统热驱动技术，其能耗可降低一个数量级以上。MOF结构丰富、孔环境可调，是理想的分子筛膜材料。然而，微观尺度下MOF柔性孔笼的“开门”效应，以及介观尺度下MOF晶粒非紧密连生导致的膜内非选择性晶间缺陷等问题，均严重制约了材料发挥其本征理想分子筛分能力。此外，MOF膜脆度大，实际应用过程中难以避免的碰撞或磨损都会造成膜分离性能下降。因此，高效MOF分子筛膜的理性设计和可控制备研究具有重要意义。
自然界中，许多动物为提高环境适应性，在体表逐渐演化出具有优异耐磨损和抗外力冲击的凹凸表面织构，比如鳄鱼粗糙的表皮、穿山甲的鳞片、沙漠蝎的外骨骼等。受此启发，研究团队预生长了具有交织结构的前驱体层，通过定时中断前驱体原位转化以复刻交织结构的策略，制备了具有纵横鳞片结构的ZIF-67分子筛膜。研究发现，这种坚固的仿生鳞片结构按照功能分区为底部横向排布的分子筛分层，以及表面纵向凸起的耐磨“铠甲”层。分离层中链接ZIF-67晶粒的残余前驱体抑制了sod笼上六元环窗口的可逆畸变扩大，同时消除了晶粒间缺陷。分离性能结果表明，该膜实现了丙烯和丙烷混合气的高效分离，分离因子超220；大气环境中存放1.5年后，该分子筛膜服役数百小时后仍保持稳定的分离性能，膜骨架僵化结构稳固不可逆，分离服役稳定性高；高强度打磨膜表面3次后，“铠甲”层可保持丙烯和丙烷分离性能不变，具有优异的耐磨性。进一步的，团队发现该膜结构可“移植”至外径4 mm的高曲率微米孔径毛细管陶瓷载体上，为低成本大面积制备高性能MOF膜提供了指导依据，展现出重要工业化应用潜力。
相关研究成果以“Metal-organic framework membranes with scale-like structure for efficient propylene/propane separation”为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。该工作的第一作者为已出站博士后束伦。上述工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青促会、我所创新研究基金、榆林中科洁净能源创新研究院能源革命科技专项等项目的资助。（文/彭媛 图/束伦）
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54898-4
