近日，我所催化基础国家重点实验室无机膜与催化新材料研究组（504组）杨维慎研究员、班宇杰研究员团队实现取向金属—有机框架（Metal-Organic Framework，MOF）膜用于直链/支链正异构烷烃分离，该过程与精馏相比，可节省91%的分离能耗。
C5-C7的直链/支链正异构烷烃是重要的石油化学品。其中，直链烷烃可裂解制乙烯，支链烷烃可调和汽油，将二者分离是实现下游产物优化利用的前提。但是，烷烃分子化学性质与极性相似，分离难度大。解决这一难题的关键在于如何基于正异构烷烃分子尺寸差异，构建适配型筛分孔阵列。
金属—有机框架丰富的孔道结构为正异构烷烃分子筛分提供机遇。但由于MOF孔结构多为各向异性，若将MOF制备成膜，则需控制其取向，以确保特定尺寸筛分孔的面外有序排列。HKUST-1是一种典型的金属—有机框架材料，由双核桨轮型铜基单元与均苯三甲酸配位连接形成面心立方网格。其中，贯穿{111}晶面的三角孔尺寸约为0.46nm，恰好位于正异构烷烃的动力学直径之间，是理想的筛分孔。因此，制备{111}取向HKUST-1膜有望实现正异构烷烃分离。
膜的取向往往与其构筑砌块的形貌相匹配。调控取向的根本途径是通过生长界面的微区反应设计，调节晶体不同晶面的生长速率，以获得特定形貌的膜构筑砌块。本工作中，团队采用溶液中静态播种预晶核与移除溶液热转变过程耦合，在终止竞争性体相成核与生长的同时，将反应完全限制在载体界面处，凭借界面显著的梯度型养分变化，对目标晶面的生长速率进行调控，获得由八面体构筑块紧密砌合的{111}取向HKUST-1膜。该膜可实现多种C5-C7直链/支链正异构烷烃高效筛分，分离能耗相比精馏可降低91%。此外，团队发现，可从10组分模拟石脑油（每种组分质量占比10%）中一步提取C5-C7直链烷烃，展现对复杂体系的分离应用前景。
相关工作以“Energy-efficient extraction of linear alkanes from various isomers using structured metal-organic framework membrane”为题，于近日发表在《自然—通讯》（Nature Communications）上。该工作的第一作者是我所504组博士研究生王悦诚。以上工作得到国家自然科学基金、中国科学院青促会等项目支持。（文/图 班宇杰、王悦诚）
