氫氣通過，二氧化碳留下——
氣體分離“大師”有絕招

　　近日，中國科學院大連化學物理研究所楊維慎團隊在二維MOFs氣體分離膜領域取得重要新進展，相關成果發(fā)表在《德國應用化學》上。

　　天然氣、氫氣等氣體是重要的能源及基礎化工原料，其高效、節(jié)能、環(huán)保的分離需求越發(fā)迫切。氣體膜分離技術是在一定壓力差的驅動下，由于混合氣體透過膜的傳輸速率不同，從而達到分離的一種高效分離工藝手段。相比深冷精餾、吸附、冷凝等傳統(tǒng)氣體分離技術，能耗更低，碳排放量更少，是一種高效、節(jié)能分離技術。

　　膜材料是膜分離的基礎和核心。聚合物因其易于成形、成本低廉等優(yōu)勢占領了全球膜分離市場的主要份額。然而，聚合物膜滲透通量高時，往往分離選擇性低；分離選擇性高時，滲透通量又不盡如人意，這嚴重制約了聚合物膜的應用。

　　為突破這一瓶頸，楊維慎帶領團隊以金屬-有機骨架（MOF）材料為研究對象，在國際上率先提出以二維多孔納米片構筑高效超透氣型分離膜。

　　什么是MOF材料？它是指由金屬離子和有機配體通過配位鍵連接而成的一系列一維、二維、三維有序多孔骨架結構。金屬配位數(shù)及豐富的有機配體搭配組合為MOF提供了龐大資源庫。二維MOF納米片具有分子級別厚度以及規(guī)整的分子尺度高密度孔道，可同時實現(xiàn)超高氣體滲透通量和超高分離選擇性。其實施推廣開創(chuàng)了氣體分離膜新領域，并開啟了廣闊的應用市場。

　　然而，要想制備高質量的超薄MOF納米片并非易事。楊維慎研究團隊選取了一種結構穩(wěn)定的層狀MOF前驅體，在溫和的物理外力作用下，于全球首次剝層得到單分子層厚度的MOF納米片，并隨后制備出具有超高氣體滲透通量和精確分子篩分能力的二維MOF納米片膜。這一成果曾于2014年發(fā)表于國際頂級學術期刊《科學》上，受到國際同行的高度關注和認可，為開發(fā)高效、節(jié)能氣體分離技術帶來了曙光和機遇。

　　然而近幾年來，相較于石墨烯等其他二維材料，二維MOFs納米片膜的發(fā)展相對緩慢，說明MOFs納米片及膜的制備仍具挑戰(zhàn)。近日，楊維慎團隊在該領域又取得重要進展。

　　研究團隊選擇了一種全新雙親性層狀MOF前驅體，首次將其開層得到雙層厚度納米片，并制備了厚度小于10納米的超薄MOF納米片膜。該膜具有恰當尺寸的納米片孔道及片層間空隙，對于尺寸差異僅0.04納米的氫氣和二氧化碳混合氣體而言，更大的二氧化碳分子無法穿過孔道而只能老實地繞過片層走，而小巧的氫氣分子則能夠穿過孔道這一捷徑，直達膜的另一側，從而展現(xiàn)出極佳的氣體篩分性能。

　　更為有趣的是，由于雙親性材料對二氧化碳的“偏愛”，使得二氧化碳分子想要透過膜，需要耗費更多能量。因此，該膜隨著測試溫度的升高，其對氫氣透量和混合氣體分離選擇性同時升高，二氧化碳透量卻幾乎不變，完全不像其它二維納米片膜材料那樣性能隨溫度升高而降低。

　　新型雙親性MOF納米片在CO2燃燒前捕獲領域具有廣闊應用前景，對于未來納米片膜材料的選取具有重要指導意義。