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8月16日，從中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究院傳出消息，該所無機膜與催化新材料研究組的楊維慎研究員和彭媛副研究員團(tuán)隊在純相共價有機框架(COFs)氣體分離膜研究方面取得新進(jìn)展，制備出高性能超薄二氧化碳分離膜，分離性能達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用需求。
據(jù)彭媛介紹，他們制備的二氧化碳分離膜以COFs納米片為膜構(gòu)筑基元，誘發(fā)錯排縮孔效應(yīng)，實現(xiàn)了二氧化碳/氫氣混合氣中二氧化碳的優(yōu)先滲透分離。也就是說，二維COFs骨架對二氧化碳選擇性吸附特性與納米片錯排縮孔效應(yīng)協(xié)同作用，可以誘發(fā)氣體在膜內(nèi)表面擴散機制，進(jìn)而實現(xiàn)二氧化碳的高效分離。實驗研究數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用COFs材料時，在298K下，二氧化碳/氫氣分離系數(shù)大于20，二氧化碳滲透率大于300GPUs，分離性能達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用需求。
由于二維COFs孔徑大于0.8納米，對于動力學(xué)直徑為0.3~0.4納米的小分子氣體例如氫氣(0.29納米)、二氧化碳(0.33納米)等難以實現(xiàn)精確分離，構(gòu)建具有高效二氧化碳分離性能的純相二維COFs膜面臨極大挑戰(zhàn)。“但COFs材料具有永久性一維直通孔道，豐富的表面官能團(tuán)以及優(yōu)異穩(wěn)定性，在二氧化碳分離領(lǐng)域仍然具有巨大的應(yīng)用潛力。”彭媛表示。
基于此，該團(tuán)隊在前期研究基礎(chǔ)上，以3種不同表面化學(xué)和孔徑的層狀COFs材料為研究對象，發(fā)展出一種弱酸性溶劑剝層，并輔以溫和機械外力的方法，將其剝離為厚度2納米、尺寸達(dá)微米級的系列超薄納米片層，通過精確控制納米片錯排組裝，構(gòu)建了孔徑尺寸適合二氧化碳分離的純相COFs膜。
在碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)背景下，發(fā)展低能耗、環(huán)境友好的二氧化碳選擇性分離膜具有重要意義和實際應(yīng)用價值。相較于傳統(tǒng)高能耗分離技術(shù)如溶劑吸收、深冷精餾等，壓力驅(qū)動的膜分離技術(shù)能耗極低、碳足跡小，滿足工業(yè)與社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求。膜材料是膜分離技術(shù)的核心，高性能的二維分離膜是該研究領(lǐng)域前沿性研究議題。
彭媛表示，目前他們研制的二氧化碳分離膜仍處于實驗室驗證階段，下一步計劃開發(fā)新的COFs膜材料，形成新的孔道工程策略，進(jìn)一步提升膜分離性能，拓展COFs膜在二氧化碳分離中的應(yīng)用范圍，如用于二氧化碳/氮氣、二氧化碳/甲烷分離等。
