超临界流体作为反应介质制备高性能金属有机骨架分离膜

来源：科匠学术

近年来膜分离已广泛应用于工业混合物体系分离。传统聚合物膜制备工艺简便，但分离性能饱受Trade-off效应困扰，在某种程度上限制了其广泛应用。金属有机骨架（metal-organic framework, MOF）膜以其均匀可调的孔径以及丰富多变的官能团等结构优势，有望部分替代传统聚合物膜，在苛刻环境条件下或精细筛分过程中得到应用。然而目前仍难以兼顾制膜过程的绿色环保性与和膜分离性能的优异性。

超临界流体（supercritical fluid, SCF）是一种温度、压力均高于临界点的特殊流体。不同于常规气态或液态流体，SCF因其多种独特的物化性质而备受关注。就MOF膜制备工艺过程而言，SCF零表面张力、低粘度与类似气体的高扩散性等特性，有助于高效快速修复膜内潜在的纳米级晶间缺陷，进而形成连生性良好的MOF膜；而其易于实现不同相态间相互转化与类似液体的高溶解性等特性，则可使SCF和未反应原料在反应结束后自发相分离，进而实现SCF和配体的高效回收再利用。

二、文章简介：

本工作中，作者首先采用溶胶-凝胶法在多孔载体表面沉积了ZnO过渡层。随后，在scCO2环境中，溶解的2-mIm配体与ZnO过渡层在界面区域发生配位反应，经原位超临界生长转化为致密连续的ZIF-8膜层，膜厚约600 nm（图2）。随后作者回收并分析了超临界生长后残留的固体粉末。经研究证实，回收的固体粉末仍为纯2-mIm物相，在反应期间并未引入任何杂质。此外回收的2-mIm粉末仍可用于制备连生性良好的ZIF-8膜，从而证实采用SCF技术可实现MOF膜的绿色环保制备。

图2. 超临界流体技术制备ZIF-8膜微观形貌表征。

最后作者对所制备的ZIF-8膜进行了气体分离测试（图3）。单组份气体渗透测试结果表明，不同气体分子的渗透通量随分子动力学直径增加依次递减。其中H2/N2, H2/CH4, H2/C3H6和H2/C3H8的理想选择性分别为13.2, 13.6, 83.0和1456.5，表明制备的ZIF-8膜具有良好的尺寸筛分性能。作为研究重点，作者进一步考察了ZIF-8膜对C3H6/C3H8混合气的分离性能。常温常压条件下C3H6的渗透通量为2.9×10-9 mol m-2 s-1 Pa-1，分离因子达47.1，其综合分离性超越了传统高分子聚合物膜的C3H6/C3H8分离性能上限，达到了工业化应用性能指标要求。

图3. 超临界流体技术制备ZIF-8膜气体分离性能测试。