沸石纳米片，可用于制备低缺陷密度、薄且定向的沸石分离膜。然而，操纵它们形态的方法是有限的，从而阻碍了提升性能的进展。
在此，来自美国约翰霍普金斯大学的MICHAELTSAPATSIS等研究者报道了，直接合成薄而平的MFI纳米片(即，不使用剥离、蚀刻或其他自上而下的处理)，并证明了它们作为二甲苯异构体分离的高性能膜的用途。相关论文以题为“Twin-free, directly synthesized MFI nanosheets with improved thickness uniformity and their use in membrane fabrication”发表在Science Advances上。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm8162
沸石膜已经在溶剂脱水中得到了应用，并满足了某些改进的能源效率分离工艺的商业化需求，如从甲烷中分离二氧化碳。对于更困难的分离(如烃类异构体和烯烃/石蜡分离)和具有挑战性的操作环境(如在膜反应器中遇到的)，需要进行成分和微观结构优化，以提高分离性能。例如，在膜反应器结构中分离二甲苯异构体，需要在高压和高温下的高通量和高选择性，当膜由MFI-型沸石制成时，需要薄的和优先定向的膜。然而，同时控制框架结构和成分、晶体取向、晶粒尺寸和共生仍然是一个主要的挑战。
当择优取向、膜厚小且具有特定的显微结构特征时，沸石纳米片是非常有吸引力的构建块，因为它们的大宽高比和少纳米厚度允许形成取向的，低缺陷密度和薄膜。沸石纳米片的制备，首先是通过多层沸石的剥离，后来是通过直接合成，最近是通过沸石晶体的各向异性蚀刻。剥离和蚀刻都是自上而下的方法，这可能会损害纳米片的结构完整性或限制可达到的厚度。例如，尽管可以制备出厚度均匀为3 nm(1.5个单胞)的剥离MFI纳米片，但由于碎片化，其平面内尺寸被限制在1 μm以下。通过蚀刻制成的MFI纳米片，可以横向扩展到约7.5 μm，但它们相对较厚(例如，不小于25 nm)。直接合成方法提供了几个优点，例如具有较高的产品产量和较大的横向尺寸和纵横比的潜力，同时提供了与既定的沸石合成方法兼容的合成程序。
第一个直接合成的分子筛MFI纳米片，是在种子水热生长的基础上发展起来的，使用的是联胺-阳离子[双-1,5(三丙基铵)五亚甲基二碘化剂，称之为dC5]结构导向剂。MFI纳米晶体被用作种子，以实现单个(非共生)、独立(非聚集)纳米片的合成。在种子晶体达到一定的尺寸和形状后，纳米片的直接生长是通过单次旋转共生长进行的。这种方法提供了高纵横比、薄纳米片。然而，纳米片在其中心含有种子纳米晶体，导致其复杂的形态偏离理想的二维形状。虽然利用这些直接合成的MFI纳米片制备了超选择性的对二甲苯MFI膜，但尝试直接合成具有更均匀厚度和无旋转共生的MFI纳米片是值得的，并探索相应膜的渗透性能。
在此，研究者报道了一种改进后的MFI沸石纳米片的直接合成方法，该方法与之前报道的方法相比，具有更好的厚度和结构均匀性，并得到了用这些纳米片制备的膜的二甲苯异构体分离性能。研究者的MFI纳米片是用纳米片碎片作为种子合成的，而不是以前使用的MFI纳米颗粒。透射电子显微镜(TEM)成像显示，获得的MFI纳米片具有改善的厚度均匀性，并且没有旋转和MEL共生长。纳米片可以形成良好的纳米片涂层。在无凝胶二次生长条件下，所得分子筛MFI膜对二甲苯异构体具有较高的高温分离性能(如对二甲苯的通量可达1.5 × 10−3 mol m−2 s−1，250℃下对/邻二甲苯的分离系数可达~600)。
图1 沸石MFI纳米片的矩形生长。
图2 沸石MFI纳米片的制备。
图3 新型沸石MFI纳米片的表征。
图4 沸石MFI纳米片单层涂料。
图5 用纳米片种子纳米片和纳米晶种子纳米片制备沸石MFI膜。
图6 沸石MFI膜对邻二甲苯二元混合物的分离性能。
综上所述，研究者报道的膜的高生产率是沸石分子筛膜的一个重要突破，但其生产效率不足和制造成本高一直是其实际应用的主要瓶颈。在早期的研究中，沸石MFI膜在高二甲苯负荷下(例如高进料浓度)通量降低。
这项工作表明，在250°C时，随着进料中对二甲苯浓度的增加(对二甲苯浓度达到~16 kPa)，对二甲苯渗透通量几乎线性增加。在未来的研究中，研究者将尝试研究更高的压力和温度，以进一步增加通量。 （文： 水生 ）
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