仿生MOF膜：高效丙烯丙烷分離的新標竿

在化學分離領域，研究人員研發出了一種耐用且具仿生特性的ZIF-67金屬有機框架（MOF）膜，它能高效地從丙烷中分出丙烯，兼具高效能、長期穩定性以及產業規模化生產的潛力。

聚合級丙烯（含量＞99.5%）是化學產業中至關重要的原料。在其生產過程中，不可避免地會在產物流中產生丙烷副產物。要獲得聚合級丙烯，一個關鍵步驟便是將丙烯從丙烷中分離出來。然而，由於這兩種分子的物理和化學性質幾近相同，使得此分離過程既具挑戰性又極為耗能。

分子篩膜為此分離難題提供了一種高效且有效的解決方案。金屬有機框架（MOFs）被視為製作此類膜的理想材料。可惜的是，其效能受到柔性籠窗的開門效應以及非選擇性晶間缺陷的限制，妨礙了精準的分子篩功能。此外，MOF膜質地脆，使用過程中的物理衝擊或磨損都可能大幅降低其分離效率。

中國科學院大連化學物理研究所的楊維慎教授和彭媛副教授帶領的研究團隊，在《自然通訊》期刊發表的一項研究中，研發出了一款耐磨的ZIF-67 MOF膜，它具有切向-法向交織的結構。此膜利用固定化的籠窗，解決了晶間缺陷問題，實現了丙烯和丙烷的精準分離。

在自然界中，許多植物和動物為了在惡劣環境中生存，演化出了凹凸不平的表面紋理，具有出色的耐磨和抗碰撞能力。受此自然耐磨甲殼紋理的啟發，研究人員在多孔基材上生長出具有交織結構的前驅體層，接著巧妙地將其轉化為鱗片狀交織結構的ZIF-67膜。這款仿生ZIF-67膜能高效地從丙烷中分出丙烯。

這款仿生膜結構由兩個不同部分組成：負責精準分離的切向（T）部分，以及作為耐磨護甲的鼓起法向（N）部分。在T部分，與ZIF-67晶粒相連的殘留前驅體抑制了方鈉石籠中六元環篩窗的配體翻轉運動，有效消除了晶間缺陷。

分離效能測試結果顯示，這款無缺陷的膜實現了丙烯和丙烷的優異分離，分離因子超過220。在室溫環境下存放1.5年後，固定化的ZIF-67框架依然穩定，分子篩功能維持良好，長期穩定性達近1000小時。在膜表面經過三次重度打磨後，N護甲部分仍保持其丙烯篩選效能，展現出卓越的耐磨性。

此外，研究人員提出，這種創新的膜結構可移植到外徑僅4毫米的高曲率毛細陶瓷基材上。這為低成本、大面積生產耐磨、高效能的MOF膜提供了方向，具備產業應用的潛力。

楊教授表示：「MOF膜常被視為解決分離難題的理想方案。我們團隊研發的仿生MOF膜解決了MOF膜領域的關鍵問題，展現了MOF膜在高度複雜且要求苛刻的分離過程中的多樣性。」

參考文獻：Lun Shu、Yuan Peng、Chenyu Zhu、Kun Li和Weishen Yang所著的『Metal-organic framework membranes with scale-like structure for efficient propylene/propane separation』，發表於2024年11月30日的《自然通訊》。DOI：10.1038/s41467-024-54898-4