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              作者:韓揚眉 來源:中國科學報 發布時間:2022/3/11 20:34:01
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              新策略制備高性能氫氣和二氧化碳分離膜

               

              面對能源緊缺和溫室效應等嚴峻問題,尤其在我國“雙碳”目標下,發展低能耗、低碳排放量的膜分離技術,在氫氣制備與純化、二氧化碳捕獲等重要工業氣體分離等領域備受關注。

              其中,金屬-有機框架材料(MOFs)由于其結構多樣性、規整孔道、高孔隙率及豐富表面化學性質等優勢,展現巨大應用潛力,有望成為新一代理想分離膜材料。

              近日,中國科學院大連化學物理研究所(以下簡稱大連化物所)研究員楊維慎、副研究員彭媛團隊通過設計一種簡便的原位生長結合限域界面聚合的新型制備策略,提出了軟-固態型無缺陷金屬-有機框架復合分離膜新概念,實現了對尺寸差異極小的氫氣和二氧化碳(H2/CO2)的高精度分離。該新型MOFs膜的分離性能遠超迄今為止報道過的所有MOF基分離膜,具有廣闊的應用前景。相關成果發表在《德國應用化學》上,并被選為“VIP(Very Important Paper)”文章。

              新型MOFs膜是怎么制備的呢?研究團隊介紹,他們首先在商業化廉價柔性多孔有機載體上,生長出微米尺寸、準垂直態、離散型的層狀Zn2(Bim)4固體MOF晶粒,通過充分暴露Zn2(Bim)4晶粒層間的二維直通分子篩孔道,以實現氣體傳質。

              隨后,研究團隊通過限域界面聚合操作,構建了軟性聚酰胺-固態Zn2(Bim)4相連的模塊化網絡結構。該具有納米厚度和高度交聯的聚酰胺網絡,可緊密連接于相鄰Zn2(Bim)4晶粒側面,形成了晶間非選擇性缺陷全覆蓋同時保障Zn2(Bim)4層間直通孔道全開放。

              上述無缺陷分離膜在氣體分離應用中具有獨特優勢。結果表明,準垂直態Zn2(Bim)4晶粒層間二維直通孔道為氣體主要傳質通道,從而獲得超高的(H2/CO2篩分精度,分離選擇性比已報道的其他MOF基分離膜提升了一至兩個數量級,達到1084。

              此外,該膜材料熱及水熱穩定性極佳,且耐受可凝性氣體溶脹;90°連續彎折50次或卷為3 mm直徑圓管(迄今最大膜彎折曲率)后,膜性能保持不變。

              進一步研究發現,該制備策略及獨特無缺陷膜結構概念具有很高的普適性,形成的ZIF-67、ZIF-8 等其他軟-固態型無缺陷復合分離膜均呈現優異(H2/CO2分離選擇性,遠高于其他ZIF-67或ZIF-8基分離膜材料。

              該工作充分發揮了MOFs材料高分子篩分能力、聚合物極佳柔性、載體廉價易得、制備策略簡便易放大等多重優勢,為創制具有工業應用前景的MOF基膜開辟了一條全新道路。未來憑借模塊化功能設計策略,可定制特異性分離膜用于指定分離體系的精準識別、分離與純化。

              《德國應用化學》期刊編輯評價該工作稱“同行評議一致評價該工作非常重要”,“僅有不到5%的工作可獲得如此積極的評價”。

              相關論文信息:https://doi.org/10.1002/anie.202117577

              柔性軟-固態Zn2(Bim)4 SSCM結構示意圖(左)以及H2/CO2混氣分離應用(大連化物所供圖

              概念圖(大連化物所供圖)

               
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