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MFI沸石晶种微观结构调控用于高性能膜材料制备

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高长径比的二维沸石纳米片因其显著降低的扩散路径,较高比表面积及表面活性,在吸附、催化和分离等研究领域引起了广泛关注。其中,以MFI沸石纳米片为基本构筑单元制备超薄取向分子筛膜具有较好的工业应用前景,但简易、快速制备结构完整、尺寸均一的高长径比MFI沸石纳米片仍是一项富有挑战性的工作。除此以外,在MFI超薄膜构筑过程中,取向纳米片晶种单层的制备以及面内外延生长的精确调控也是亟待解决的难题。

近日,精细化工国家重点实验室刘毅教授课题组提出了一种自上而下的“各向异性碱刻蚀”策略,即以四丙基氢氧化铵(TPAOH)溶液作为刻蚀剂,通过对焙烧的常规板砖状MFI沸石晶体进行水热碱处理,一步制得尺寸均一且具有较高长径比的单分散二维MFI沸石纳米片(12个晶胞厚度,约25 nm)。随后通过湍流气-液界面辅助自组装制备了b-轴取向MFI沸石纳米片晶种单层,并采用单模微波辅助加热对晶种层的外延生长过程进行精确调控,最终在100 ℃2 h反应条件下制得连续致密且高度b-轴取向的超薄(约93 nmMFI沸石膜。

采用上述制膜工艺,先后在粗糙金属Al片、惰性Pt电极及多孔γ-Al2O3陶瓷片表面均制得具有类似微观结构的膜材料,其分别具有优异的防腐、离子筛分与正/异丁烷分离性能。值得提及的是,采用液相外延生长法制备厚度低于100 nmb-轴取向MFI沸石膜的工作属首次报道,从而为简便高效调控沸石分子筛膜微观结构提供了新思路。

以上相关成果发表在化学领域Top期刊Science Advances (2020, 6, eaay5993)论文的第一作者为博士研究生刘益,大连理工大学为论文的第一通讯单位。

全文链接: https://advances.sciencemag.org/content/6/7/eaay5993.abstract

在此工作基础上,刘毅教授课题组进一步采用具有中空结构的MFI纳米沸石作为晶种,结合单模微波加热技术用于二次生长过程,利用中空MFI纳米晶种高孔隙率和单模微波辐射强度高与均匀性佳等特点,制备了具有等级结构的MFI沸石膜。由于其兼具(101)优先晶体取向与超薄分离层厚度,从而显示出优异的丁烷同分异构体分离性能。

实验结果表明,制得的MFI沸石膜不仅连生性好,而且具有显著的等级结构——即较高(h0h)-优先取向度的超薄(~390 nm)选择层和源于中空MFI晶种的多孔过渡层。上述等级结构对提升正/异丁烷(n-/i-butane)分离性能起到了关键性作用。通过气体渗透性能对比测试发现,上述具有等级结构的MFI沸石膜的正异丁烷综合分离性能为目前所有已报道采用溶液法所制备MFI沸石膜的最高值;同时,与采用MFI沸石纳米片为晶种制备的超薄MFI沸石膜相比,制备工艺大大简化、生产成本显著降低。综合而言,上述研究成果为高性能沸石膜的简便、高效制备提供了新思路。


以上相关成果发表在化学领域Top期刊Angewandte Chemie International Edition (2021, 60, 7659-7663)论文的第一作者为博士研究生刘益,大连理工大学为论文的第一通讯单位。

上述研究得到国家自然科学基金(2117623122078039)、辽宁省兴辽英才计划XLYC1807084)、霍英东教育基金会(171063)、国家自然科学基金创新研究群体科学基金(22021005)、大连理工大学科技创新团队(DUT2017TB01)等经费支持。

全文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202017087

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