近日，南京航空航天大学国际前沿科学研究院团队在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc，JACS）上在线发表了题为“Exceptionally fast separation of xylene isomers with zeolitic nanotube array membranes”的研究论文。该工作的第一作者为沈纯博士，通讯作者为郭万林院士和仇虎教授，共同作者还包括薛敏珉博士。
二甲苯作为一种关键的化工原料，在工业生产、实验室研究和家庭清洁等多个领域发挥着重要作用。然而，由于二甲苯异构体具有相似的结构和相近的沸点，其分离和纯化一直面临着巨大挑战。带有微孔的分离膜有望实现二甲苯异构体的高效、低成本分离。对常见的工业分离而言，需要分离膜具有一定的厚度以承受施加的压强。然而，随着膜厚增加，其通透性（单位时间、单位面积、单位压强下通过分离膜的分子数）往往变差，这是由于孔隙率降低且膜内液/气分子迁移通路变长。针对这一挑战，团队设计了一种由沸石纳米管阵列组成的新型分离膜，能在厚度增大时获得更高的通透性（图1）。这一新颖分离膜为二甲苯的高效、低成本分离提供了新思路，并有望应用于其他一系列重要的分离过程。
图1 传统沸石基分离膜与沸石纳米管阵列膜的对比
沸石纳米管阵列筛分二甲苯异构体的性能及机理
团队首先构建了描述二甲苯异构体的势函数，利用分子动力学模拟研究了沸石纳米管阵列膜对二甲苯异构体的选择性及通透性（图2）。结果表明，在室温条件下，对二甲苯（p-xylene）相较于邻二甲苯（o-xylene）更易于通过沸石纳米管壁上的纳米孔，速率之比约为28:1；对于阵列密度为100 μm−1的薄膜，二甲苯的通透性约为1.9 × 10−5 mol/m2·s·Pa，比传统沸石基分离膜高出了至少一个量级。团队进一步分析了二甲苯分子在纳米孔中的扩散动力学及平均力势（图3），发现孔道的狭窄入口是筛分二甲苯异构体的关键。
图2 沸石纳米管阵列筛分二甲苯异构体的分子动力学模拟
图3 对二甲苯（p-xylene）和邻二甲苯（o-xylene）通过沸石管壁纳米孔的平均力势曲线
膜厚增加引起通透性的反常提升
团队进一步探讨了对二甲苯通过不同厚度膜的通透性，并与其他类型的分离膜进行了比较（图4），发现绝大多数膜的通透性会随厚度的增加而降低，而沸石纳米管阵列膜与之截然不同——其通透性随膜厚度的增加而升高。此外，相比于其他薄膜需要较高的工作温度，沸石纳米管阵列膜在室温下即能具备优异的性能，大大降低了分离所需的能耗。为了推动实际应用，最后还给出了实验制备该新颖分离膜的可能方案，设计了过滤组件（图5）。
图4 沸石纳米管阵列膜与其他二甲苯分离膜的性能对比
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c01436
Chun Shen, Minmin Xue, Hu Qiu*, Wanlin Guo*, Exceptionally Fast Separation of Xylene Isomers with Zeolitic Nanotube Array Membranes. J. Am. Chem. Soc, 2024.