Sankar Nair最新Nature Energy的几点思考：电化学法-无缺陷MOF膜成为可能

金属-有机骨架(MOF)膜可以降低分子分离的能量负荷，但在制备无缺陷MOF膜方面存在一定的困难。现在，研究人员设计了一种在工业相关衬底上生长高性能MOF膜的电化学方法。

多孔沸石和金属有机骨架(MOF)膜具有许多显著的化学分离性能。因此，在过去的二十年里，它们的合成引起了人们的高度关注。这些膜能够分离大小和形状差别非常小的分子混合物。这引发了人们的期望，即将开发出比现有工艺更节能的新技术，用于大规模分离烯烃和烷烃、烷烃异构体和二甲苯异构体等混合物。

实现这些希望取决于制造方法的发展，这种方法可以在大面积的膜上可靠而廉价地生长连续的多晶纳米孔膜。现在，Mohamed Eddaoudi和阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的同事在“自然能源”(Nature Energy)杂志上发表了一篇文章，他们发现了一种电化学实现的策略，可以在特殊的实验室衬底和低成本的工业衬底上生长MOF，生产出高性能、无缺陷的薄膜。

在过去的几年里，KAUST的Eddaoudi和他的同事们一直致力于用fcu-MOF材料制造薄膜，这种材料含有通过各种有机连接剂连接的六核氧化锆或稀土氧化物积木。链接器可以与其他链接器交换。这种可调结构可以使材料实现丙烯、丙烷和正丁烷的大幅尺寸选择分离，而异丁烷-关键烃分离将受益于更节能的处理。然而，他们系统地尝试调整现有的MOF膜合成方法，但没有成功。

Eddaoudi及其同事现在报道的电化学策略代表了实质性进展（下图）。该设计基于两个主要思想。首先，研究人员确定前体溶液条件，允许在溶液相中自组装基于六核金属氧化物的簇构建块。其次，它们使用电流通过有机连接体控制簇构建块的互连，以形成fcu-MOF。这很重要，因为MOF的形成是通过去质子化实现的有机连接物，其允许羧酸基团与金属氧化物簇形成配位键。通过调节基片表面的去质子率，研究人员能够“控制”合适的电流密度和连接剂/团簇浓度范围，从而有利于在基片表面快速形成连续的多晶MOF膜，而不是在溶液中形成MOF。

电化学使fuc-MOF膜制备策略成为可能

有了这一概念验证，Eddaoudi和他的同事们随后完成了另一项非凡的壮举：使用不同pKa值的连接物，他们能够合理地制造9种不同纳米孔大小的fcu-MOF膜。

研究人员还表明，他们的工艺同样适用于工业上有用的衬底，如氧化铝(涂上导电层后)和不锈钢网。这是追求放大技术和评估通过这一新战略实现的MOF膜的工业潜力的戏剧性的第一步。此外，这些膜在一定的操作压力范围内保持了优异的分离性能，并且对水蒸气和硫化氢等污染物表现出良好的稳定性。

除了纳米孔膜制造的科学和放大挑战之外，一个更广泛的任务是找到并提供它们将在经济上产生影响的应用。虽然用膜节省能源肯定是可能的，但几十年来追求的一些高价膜应用可能没有研究议程报告和其他文献估计或预测的那么有利可图。

鉴于化工生产的未来能源和原料来源的复杂和全球多样化前景，以及全新转化工艺的出现，除了非常笼统的陈述外，似乎很难预测化工厂和炼油厂的未来形态。然而，仍然需要各种分离工艺。强大且可扩展的分离技术平台可以快速调整和制造，以便在不同的流程中集成，这可能为驾驭这一不确定的未来提供一条道路。纳米多孔材料平台，如MOF和沸石，通过各种合成和合成后处理，具有固有的可调性。Eddaoudi和他的同事们的工作展示了纳米多孔MOF膜是如何通过电化学方法容易地生产和调谐的，这是在这个方向上非常令人兴奋的发展。

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