【NH₂-MIL-53(Al)】功能化柔性金属有机框架作为混合基质膜填料用于高压下CO₂/CH₄的高选择性分离

首页 > 行业动态 > 【NH₂-MIL-53(Al)】功能化柔性金属有机框架作为混合基质膜填料用于高压下CO₂/CH₄的高选择性分离

摘要：
采用微波法合成NH₂-MIL-53(Al)，将其作为填料与聚砜（PSF）制备混合基质膜（MMMs）。该膜因MOF的柔性特征，CO₂/CH₄分离选择性随压力升高而提升，MOF与聚合物间的氢键作用保障了良好相容性，最高25 wt% MOF负载膜的选择性较纯PSF膜翻倍，高压下选择性可达110。

研究背景：
1. 行业问题和研究现状：聚合物膜分离存在选择性不足，MOF/聚合物混合膜易因界面空隙降低分离性能，传统无机填料最优负载量低（<10 wt%），且多数膜高压下选择性下降。
2. 本文创新：选用具有“呼吸效应”的NH₂-MIL-53(Al)作为填料，利用其氨基与PSF的氢键作用改善界面相容性，实现高负载量（最高40 wt%），借助MOF柔性使膜高压下选择性提升。

实验部分：
1. NH₂-MIL-53(Al)合成：1.97 g AlCl₃·6H₂O与1.5 g氨基对苯二甲酸溶于20 mL水，微波辐照（423 K，10 W/mL，30 min），过滤洗涤后经DMF活化，得到0.2×1 μm的棒状晶体。
2. 混合基质膜制备：PSF经373 K真空脱气4 h，将MOF按8、16、25、40 wt%比例分散于氯仿，加入PSF搅拌1天，超声分散后流延成膜，383 K真空除溶剂，膜厚75-100 μm，面积4.4 cm²。
3. 分离性能测试：在308 K、ΔP=3 bar及263 K高压条件下，测试CO₂/CH₄（1:1）混合气体分离性能，每种膜重复制备测试≥3次，误差<7%。

分析测试：
1. SEM表征：MOF为0.2×1 μm棒状晶体，膜截面显示MOF均匀分散，40 wt%负载仍无明显空隙。
2. DRIFTS分析：MOF的3387 cm⁻¹（-NH₂对称伸缩）、3498 cm⁻¹（-NH₂不对称伸缩）及3680 cm⁻¹（Al-OH-Al）特征峰在复合膜中发生位移，证实MOF与PSF间形成氢键。
3. 高压吸附测试：308 K、25 bar下，MOF负载膜的CO₂吸附量随压力升高显著增加，体现MOF的“呼吸效应”，且呼吸行为因聚合物约束向高压偏移。
4. 机理揭示：氢键作用提升MOF与聚合物相容性，MOF的柔性使其高压下发生np→lp转变，填充界面空隙并增强CO₂选择性吸附，实现高压下选择性提升。

总结：
1. 主要研究结果：成功制备高相容性NH₂-MIL-53(Al)/PSF混合膜，25 wt%负载膜分离性能最优，高压下CO₂/CH₄选择性达110。
2. 创新突破：首次将柔性MOF用于混合膜，实现高压下选择性提升，MOF负载量突破传统限制。
3. 潜在意义：为天然气、生物气提纯提供高效膜材料，推动高压气体分离膜的发展。

Functionalized flexible MOFs as fillers in mixed matrix membranes for highly selective separation of CO₂ from CH₄ at elevated pressures
文章作者：Beatriz Zornoza, Alberto Martinez-Joaristi, Pablo Serra-Crespo, Carlos Tellez, Joaquin Coronas, Jorge Gascon, Freek Kapteijn
DOI：10.1039/c1cc13431k
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/cc/c1cc13431k

本文为科研用户原创分享用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。