Scalable metal-organic framework membranes through nonclassical crystallization for molecular separation

结晶 渗透 材料科学 亚稳态 化学工程 配体(生物化学) 相(物质) 纳米技术 溶剂 晶界 化学稳定性 涂层 纳滤 分子动力学 金属有机骨架 膜技术
作者
Dong-Chen Shi,Fen Huang,Kai Xue,Xiansong Shi,Neng-Xiu Zhu,Kexin Yu,Zhaoqiang Zhang,Yidan Duan,Ting Chen,Hongye Yuan,Hao Yang,Wei Zhao,Joseph Imbrogno,Dan Zhao,Dong-Chen Shi,Fen Huang,Kai Xue,Xiansong Shi,Neng-Xiu Zhu,Kexin Yu
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (49)
标识
DOI:10.1126/sciadv.adz5237
摘要

Structurally ordered metal-organic framework (MOF) membranes hold great promise for selective molecular separations in chemical and pharmaceutical industries due to their precise pore size control and strong stability in organic solvents. However, the high surface energy of MOF nanodispersions complicates their assembly, leading to nonselective grain boundaries and poor processability, which hinder practical application. Here, we present a metastable phase crystallization (MPC) strategy that leverages nonclassical crystallization pathways to fabricate MOF membranes with high precision and structural uniformity. This approach combines sol-gel coating with vapor-phase reactions and ligand insertion, enabling the preparation of membranes with finely tunable pore sizes. Al-MOF membranes prepared by MPC exhibit excellent solvent permeance and solute retention, together with enhanced stability under elevated pressures and long-term operation. By tailoring pore sizes through ligand incorporation, molecular separation performance is further improved. A 10-tube tubular MOF membrane module with an effective area of 230 square centimeters highlights the potential scalability of this approach for industrial separations.
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