【MOF气体分离】：羟基双盐自转化制备混合金属ZIF-7气体分离膜

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摘要：
浙大宁波理工学院张艳老师等报道的本篇文章（Ind. Eng. Chem. Res. 2024）中提出了一种新颖的溶剂蒸汽辅助空间限制转化(SAST)策略，用于制备用于气体分离的致密混合金属ZIF-7膜。该策略涉及在管子上初步生长羟基双盐(HDSs)，然后在HDSs中间体表面沉积bIm配体，接着在DMF溶剂蒸汽的限域空间中生长混合金属ZIF-7膜。与传统的溶剂热法相比，这种合成过程显著减少了有毒有机溶剂的使用，是一种更环保的方法。所得到的混合金属ZIF-7膜在气体分离性能上表现出色，H2/CO2的理想分离选择性高达42.8，H2的渗透率为1.89×10^−7 mol·m^−2·s^−1·Pa^−1。这种方法在大规模分子筛选中生产混合金属MOF膜方面具有巨大潜力。

研究背景：
1. 膜基气体分离技术在天然气处理、转化过程、合成气生成以及CO2分离和氢气纯化等领域扮演着重要角色。然而，聚合物膜在恶劣操作条件下普遍存在渗透性和选择性之间的内在权衡、降解和污染问题。
2. 金属有机框架(MOFs)作为一种新型纳米多孔材料，通过有机连接体和金属离子的连接产生显著的性质，已在高选择性气体分离领域受到广泛关注。
3. 作者提出了一种新颖的SAST策略，通过HDSs的自转化来制备高质量的混合金属ZIF-7膜，这种方法不仅减少了有毒溶剂的使用，还提高了膜的分离性能。

实验部分：
1. 混合金属ZIF-7粉末的合成
- 操作: 将ZnO纳米粒子(NPs)与Co(NO3)2·6H2O在去离子水中混合，搅拌后得到羟基双盐(HDSs)，再与DMF和bIm反应，经过超声处理、离心和干燥得到紫色的混合金属ZIF-7粉末。
2. 混合金属ZIF-7膜的合成
- 操作: 在多孔α-氧化铝管内表面引入ZnO NPs形成薄层，与Co(NO3)2溶液反应生成HDSs中间体，然后通过浸涂技术覆盖bIm配体，最后在DMF蒸汽下通过HDSs与bIm配体的配位反应得到连续且致密的混合金属ZIF-7膜。
3. 材料表征
- 操作: 使用SEM、TEM、XRD、FT-IR、XPS等技术对合成的混合金属ZIF-7粉末和膜进行了详细的表征。
4. 气体渗透性能测试
- 操作: 通过自制的气体渗透装置测试了混合金属ZIF-7膜的单气体渗透和混合气体分离性能。

分析测试：
1. 粉末XRD分析
- 结果: HDSs与bIm配体反应后，HDSs的特征峰消失，ZIF-7的特征峰出现，证实了ZIF-7的成功合成。
2. FT-IR光谱分析
- 结果: HDSs样品显示了与NO3^−和O−H伸缩振动相关的吸收带，而混合金属ZIF-7显示了与bIm配体相关的吸收峰。
3. XPS分析
- 结果: 混合金属ZIF-7中出现了Zn 2p和Co 2p的峰，进一步证实了Zn和Co在ZIF-7晶体中的共存。
4. 膜的SEM和TEM表征
- 结果: 通过SEM和TEM观察了ZIF-7膜的形态和微观结构，确认了膜的连续性和致密性。
5. 气体渗透性能测试
- 结果: 混合金属ZIF-7膜在25°C和0.1 MPa条件下对H2的渗透性显著高于CO2、N2和CH4，理想分离因子高达42.8。

总结：
本文通过SAST策略成功制备了高质量的混合金属ZIF-7膜，该膜在气体分离方面表现出色，具有高选择性和高渗透性。通过HDSs的自转化，不仅提供了混合金属源和成核位点，还增强了膜的稳定性。此外，该膜在不同操作温度下显示出优异的热稳定性和长期稳定性，为氢气纯化提供了一种有前景的解决方案。

展望：
1. 探索混合金属ZIF-7膜的规模化生产方法，以降低成本并提高生产效率。
2. 进一步优化膜的制备条件，以提高其分离性能，特别是在不同的气体混合物中的选择性。

Fabrication of Mixed-Metal ZIF-7 Membrane by the Self-Conversion of Hydroxy Double Salts for Gas Separation
文章作者：Changchang Ma, Bingyan Ma, Jinrui Wu, Tao Ma, Xiongfu Zhang, Yan Zhang*, and Yujia Li*
DOI：10.1021/acs.iecr.3c04539
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.3c04539

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