Electrochemical synthesis of continuous metal–organic framework membranes for separation of hydrocarbons

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作者
Sheng Zhou,Osama Shekhah,Jiangtao Jia,Justyna Czaban‐Jóźwiak,Prashant M. Bhatt,Adrián Ramírez,Jorge Gascón,Mohamed Eddaoudi
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:6 (9): 882-891 被引量:250
标识
DOI:10.1038/s41560-021-00881-y
摘要

Membrane-based approaches can offer energy-efficient and cost-effective methods for various separation processes. Practical membranes must have high permselectivity at industrially relevant high pressures and under aggressive conditions, and be manufacturable in a scalable and robust fashion. We report a versatile electrochemical directed-assembly strategy to fabricate polycrystalline metal–organic framework membranes for separation of hydrocarbons. We fabricate a series of face-centred cubic metal–organic framework membranes based on 12-connected rare-earth or zirconium hexanuclear clusters with distinct ligands. In particular, the resultant fumarate-based membranes containing contracted triangular apertures as sole entrances to the pore system enable molecular-sieving separation of propylene/propane and butane/isobutane mixtures. Prominently, increasing the feed pressure to the industrially practical value of 7 atm promoted a desired enhancement in both the total flux and separation selectivity. Process design analysis demonstrates that, for propylene/propane separation, the deployment of such face-centred cubic Zr-fumarate-based metal–organic framework membranes in a hybrid membrane–distillation system offers the potential to decrease the energy input by nearly 90% relative to a conventional single distillation process. Metal–organic framework membranes may be able to separate mixtures of hydrocarbons in an energy-efficient manner, but high-quality robust membranes are difficult to prepare. Here, Zhou et al. fabricate high-performance continuous metal–organic framework membranes using an electrochemical method.
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