金屬-有機物骨架可減少石化工業能源消耗

商用聚合物基座上的超薄MOF膜

在化學和石化行業中，如何以節能的方式分離分子是行業面臨的最重要挑戰之一。分離過程占石化行業總共能源消耗的40％左右，而減少分離過程所消耗的能源有助於解決人類活動產生的碳排放問題。

丙烯是石化行業最重要的產品之一，廣泛應用於纖維、泡沫和塑料等產品中。純化丙烯幾乎不可避免地要將其與丙烷分離。目前分離過程通過低溫蒸餾來完成，這一過程中兩種氣體冷卻至零度以下而液化。這就給丙烯-丙烷分離過程帶來了非常大的能源足跡。

其中一種解決方法是使用「金屬-有機物骨架」（metal-organic frameworks, MOF』s）。這些是由有機配體連接在一起的金屬節點製成的多孔結晶聚合物。分子尺度上的孔使MOFs能夠有效地捕獲分子，因此它們現在成為碳捕獲研究的主要候選材料。

就分離分子的性能而言，基於MOF的膜是表現最好的，並且可以在室溫環境下進行丙烯-丙烷分離過程。一種名為ZIF-8（沸石咪唑骨架-8）的MOF在30℃下，丙烯通過其孔擴散的速率是丙烷的125倍，提供了高選擇性而無需零下溫度。

來自洛桑聯邦理工學院的Kumar Varoon Agrawal教授說到：「這種方法面臨的主要挑戰是如何在商用多孔基質上合成高質量、超薄的MOF薄膜，而無需對基質做複雜的改性。這種高質量的薄膜具有更少的缺陷，而且對於獲得較高的分離選擇性來說是必需的。」他位於洛桑聯邦理工學院Sion校區的實驗室開發出一種直接的MOF結晶方法，叫做「高度共生結晶薄膜的電泳核組裝」（ENACT）。

高度共生結晶薄膜的電泳核組裝

ENACT法允許簡單地調節未改性的多孔和無孔基質上的異質成核。這反過來又促進了超薄、高度共生的多晶MOF薄膜的合成。

實驗室使用ENACT法成功合成500nm厚的MOF膜。當研究人員測試MOF膜時，其在丙烯/丙烷分離過程中展現有記錄以來最好的分離性能之一。超薄膜展現了較好的丙烯滲透性，這將有助於減少工業應用所需的膜面積。

研究小組總結到，這種多功能、直接的ENACT法可以擴展到多種納米多孔晶體中去。

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