Angew. Chem.：取向调控Ti-MOF膜用于高效氢气提纯

近年来，MOF膜在烯烃/烷烃（如C₃H₆/C₃H₈）、异构体（n-/i-C₄H₁₀）以及N₂/CH₄分离提纯方面表现出优异性能。尽管如此，其在小分子气体分离方面的应用性能仍有待进一步提升（如H₂/N₂和H₂/CH₄）, 以实现氢气提纯、合成氨和轻烃回收过程中的高效节能。用于上述体系分离的现有MOF膜，其选择性和渗透性仍有进一步提升空间，这是由于MOF材料骨架固有的灵活性导致难以严格控制孔径（特别是~0.3 nm的小孔）尺寸和形状。相较而言，利用优先取向调控，精准控制膜孔尺寸是突破H₂/N₂，H₂/CH₄选择性和H₂渗透性之间Trade-off效应的重要方法。

近日，大连理工大学刘毅教授与中国科学技术大学汪苏靖研究员、法国蒙彼利埃大学Guillaume Maurin教授合作，以高长径比的棒状Ti-MOF材料—MIP-177-LT为晶种，通过对膜材料的择优取向进行精准调控，实现了H₂/N₂，H₂/CH₄体系的高效分离。

作者利用取向晶种外延生长法，成功制备出b-轴取向MIP-177-LT膜，结合沿b-轴方向~0.3 nm孔道的精准筛分作用和沿c-轴方向1.1 nm大孔的低扩散阻力，同时实现了高H2选择性（H₂/N₂: ~150, H₂/CH₄: ~120）和高H2渗透性（~350 barrer）。进一步通过与c-轴取向和随机取向膜的气体分离性能对比，证实了b-轴取向对其分离性能提升的重要作用。

DFT理论模拟计算同时表明，上述优异的选择性源于对沿b轴方向0.3 nm孔道尺寸的精准调控。具体而言，H₂、N₂和CH₄通过MIP-177-LT小孔窗口（b轴方向）的扩散能垒分别为~20、~60和~100 kJ/mol，这表明与N₂和CH₄相比，H₂更容易通过上述孔窗，从而实现了H₂/N₂、H₂/CH₄高精度筛分。

由于膜分离技术在分离效率、能耗和资金成本等方面与传统技术相比具有显著优势，上述新型Ti-MOF膜为实现焦炉气氢气高效回收再利用提供了一种新策略。

论文信息

Oriented Titanium-MOF Membrane for Hydrogen Purification

Sixing Chen, Dr. Mohammad Wahiduzzaman, Taotao Ji, Yi Liu, Yang Li, Dr. Chen Wang, Dr. Yanwei Sun, Prof. Gaohong He, Prof. Guillaume Maurin, Prof. Sujing Wang, Prof. Yi Liu

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202413701