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氢气通过,二氧化碳留下——气体分离“大师”有绝招(中国经济网2017-07-26)
  www.dicp.cas.cn    发布时间:2017-07-28    供稿部门:科学传播处
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  记者佘惠敏、通讯员彭媛 发布时间:2017-07-26

  来源:中国经济网 

  近日,中国科学院大连化学物理研究所杨维慎团队在二维MOFs气体分离膜领域取得重要新进展,相关成果以通讯形式发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。

  天然气、氢气、烷烃、烯烃等气体是重要的能源及基础化工原料,其高效、节能、环保的分离需求越发迫切。气体膜分离技术是在一定压力差的驱动下,混合气体透过膜的传输速率不同,达到分离目的的一种高效分离工艺手段,分离过程不发生相变。相比深冷精馏、吸附、冷凝等传统的气体分离技术能耗更低,碳排放量更少,是一种高效、节能分离技术。

  膜材料是膜分离的基础和核心。聚合物由于其易于成型、成本低廉等优势占领了全球膜分离市场的主要份额。然而甘瓜苦蒂,天下物无全美,聚合物膜渗透通量高时,往往分离选择性低;分离选择性高时,渗透通量又不尽人意,这严重制约了聚合物膜的应用。

  为突破这一瓶颈,杨维慎研究员带领团队以金属-有机骨架材料(Metal-organic Framework,MOF)为研究对象,在国际上率先提出以二维多孔纳米片构筑高效超透气型分离膜。

  什么是MOF材料?它是指由金属离子和有机配体通过配位键合连接而成的一系列一维、二维、三维有序多孔骨架结构。为什么选择它?金属配位数及丰富的有机配体搭配组合为MOF提供了其它材料无法企及的庞大资源库。二维MOF纳米片具有分子级别厚度以及规整的分子尺度的高密度孔道,可同时实现超高气体渗透通量和超高分离选择性(精确分子筛分)。这一概念的实施和推广不仅开创了气体分离膜新领域,而且开启了更为广阔的应用市场。

  然而,要想制备高质量的超薄MOF纳米片并非易事。杨维慎研究团队选取了一种结构稳定的层状MOF前驱体,在温和的物理外力作用下,于国际上首次剥层得到单分子层厚度的MOF纳米片,随后利用自主研发的热组装法制备了具有超高气体渗透通量和精确分子筛分能力的二维MOF纳米片膜。这一成果曾于2014年发表于国际顶级学术期刊《科学》(Science)上,受到国际同行的高度关注和认可,为开发高效、节能气体分离技术带来了曙光和机遇。

  然而近几年来,相较于石墨烯等其他二维材料,二维MOFs纳米片膜的发展相对缓慢,这也充分说明MOFs纳米片及膜的制备仍具挑战。近日,杨维慎团队在二维MOFs气体分离膜领域又取得新的重要进展。

  研究团队选择了一种全新双亲性层状MOF前驱体Zn2(Bim)3,首次将其开层得到双层厚度纳米片,并通过热组装方法制备了厚度小于10纳米的超薄MOF纳米片膜。该膜具有恰当尺寸的纳米片孔道及片层间空隙,对于尺寸差异仅0.04纳米的氢气和二氧化碳混合气体而言,更大的二氧化碳分子无法穿过孔道而只能老实地绕过片层走,而小巧的氢气分子则能够穿过孔道这一捷径,直达膜的另一侧,从而展现出极佳的气体筛分性能。

  更为有趣的是,由于双亲性材料对二氧化碳的“偏爱”,使得二氧化碳分子想要透过膜,需要耗费更多的能量,因此该膜随着测试温度的升高,其对氢气透量和混合气体分离选择性同时升高,二氧化碳透量却几乎不变,完全不像其它二维纳米片膜材料那样性能随温度升高而降低。

  新型双亲性MOF纳米片不仅在CO2燃烧前捕获领域具有广阔应用前景,而且对于未来纳米片膜材料的选取具有重要指导意义。

  以下是该媒体报道地址:https://share.jingjiribao.cn/detail/newsDetailShare.html?docid=82464

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