金屬-有機(jī)骨架(MOF)膜可以降低分子分離的能量負(fù)荷，但在制備無缺陷MOF膜方面存在一定的困難?，F(xiàn)在，研究人員設(shè)計了一種在工業(yè)相關(guān)襯底上生長高性能MOF膜的電化學(xué)方法。

多孔沸石和金屬有機(jī)骨架(MOF)膜具有許多顯著的化學(xué)分離性能。因此，在過去的二十年里，它們的合成引起了人們的高度關(guān)注。這些膜能夠分離大小和形狀差別非常小的分子混合物。這引發(fā)了人們的期望，即將開發(fā)出比現(xiàn)有工藝更節(jié)能的新技術(shù)，用于大規(guī)模分離烯烴和烷烴、烷烴異構(gòu)體和二甲苯異構(gòu)體等混合物。

實現(xiàn)這些希望取決于制造方法的發(fā)展，這種方法可以在大面積的膜上可靠而廉價地生長連續(xù)的多晶納米孔膜?，F(xiàn)在，Mohamed Eddaoudi和阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST)的同事在“自然能源”(Nature Energy)雜志上發(fā)表了一篇文章，他們發(fā)現(xiàn)了一種電化學(xué)實現(xiàn)的策略，可以在特殊的實驗室襯底和低成本的工業(yè)襯底上生長MOF，生產(chǎn)出高性能、無缺陷的薄膜。

在過去的幾年里，KAUST的Eddaoudi和他的同事們一直致力于用fcu-MOF材料制造薄膜，這種材料含有通過各種有機(jī)連接劑連接的六核氧化鋯或稀土氧化物積木。鏈接器可以與其他鏈接器交換。這種可調(diào)結(jié)構(gòu)可以使材料實現(xiàn)丙烯、丙烷和正丁烷的大幅尺寸選擇分離，而異丁烷-關(guān)鍵烴分離將受益于更節(jié)能的處理。然而，他們系統(tǒng)地嘗試調(diào)整現(xiàn)有的MOF膜合成方法，但沒有成功。

Eddaoudi及其同事現(xiàn)在報道的電化學(xué)策略代表了實質(zhì)性進(jìn)展（下圖）。該設(shè)計基于兩個主要思想。首先，研究人員確定前體溶液條件，允許在溶液相中自組裝基于六核金屬氧化物的簇構(gòu)建塊。其次，它們使用電流通過有機(jī)連接體控制簇構(gòu)建塊的互連，以形成fcu-MOF。這很重要，因為MOF的形成是通過去質(zhì)子化實現(xiàn)的有機(jī)連接物，其允許羧酸基團(tuán)與金屬氧化物簇形成配位鍵。通過調(diào)節(jié)基片表面的去質(zhì)子率，研究人員能夠“控制”合適的電流密度和連接劑/團(tuán)簇濃度范圍，從而有利于在基片表面快速形成連續(xù)的多晶MOF膜，而不是在溶液中形成MOF。

電化學(xué)使fuc-MOF膜制備策略成為可能

有了這一概念驗證，Eddaoudi和他的同事們隨后完成了另一項非凡的壯舉：使用不同pKa值的連接物，他們能夠合理地制造9種不同納米孔大小的fcu-MOF膜。

研究人員還表明，他們的工藝同樣適用于工業(yè)上有用的襯底，如氧化鋁(涂上導(dǎo)電層后)和不銹鋼網(wǎng)。這是追求放大技術(shù)和評估通過這一新戰(zhàn)略實現(xiàn)的MOF膜的工業(yè)潛力的戲劇性的第一步。此外，這些膜在一定的操作壓力范圍內(nèi)保持了優(yōu)異的分離性能，并且對水蒸氣和硫化氫等污染物表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

除了納米孔膜制造的科學(xué)和放大挑戰(zhàn)之外，一個更廣泛的任務(wù)是找到并提供它們將在經(jīng)濟(jì)上產(chǎn)生影響的應(yīng)用。雖然用膜節(jié)省能源肯定是可能的，但幾十年來追求的一些高價膜應(yīng)用可能沒有研究議程報告和其他文獻(xiàn)估計或預(yù)測的那么有利可圖。

鑒于化工生產(chǎn)的未來能源和原料來源的復(fù)雜和全球多樣化前景，以及全新轉(zhuǎn)化工藝的出現(xiàn)，除了非?；\統(tǒng)的陳述外，似乎很難預(yù)測化工廠和煉油廠的未來形態(tài)。然而，仍然需要各種分離工藝。強(qiáng)大且可擴(kuò)展的分離技術(shù)平臺可以快速調(diào)整和制造，以便在不同的流程中集成，這可能為駕馭這一不確定的未來提供一條道路。納米多孔材料平臺，如MOF和沸石，通過各種合成和合成后處理，具有固有的可調(diào)性。Eddaoudi和他的同事們的工作展示了納米多孔MOF膜是如何通過電化學(xué)方法容易地生產(chǎn)和調(diào)諧的，這是在這個方向上非常令人興奮的發(fā)展。

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00908-4