分離性能達到工業(yè)應用需求

     8月16日，從中國科學院大連化學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隊在純相共價有機框架(COFs)氣體分離膜研究方面取得新進展，制備出高性能超薄二氧化碳分離膜，分離性能達到了工業(yè)應用需求。

　　據(jù)彭媛介紹，他們制備的二氧化碳分離膜以COFs納米片為膜構筑基元，誘發(fā)錯排縮孔效應，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協(xié)同作用，可以誘發(fā)氣體在膜內表面擴散機制，進而實現(xiàn)二氧化碳的高效分離。實驗研究數(shù)據(jù)顯示，應用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，分離性能達到了工業(yè)應用需求。

　　由于二維COFs孔徑大于0.8納米，對于動力學直徑為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，豐富的表面官能團以及優(yōu)異穩(wěn)定性，在二氧化碳分離領域仍然具有巨大的應用潛力。”彭媛表示。

　　基于此，該團隊在前期研究基礎上，以3種不同表面化學和孔徑的層狀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，構建了孔徑尺寸適合二氧化碳分離的純相COFs膜。

　　在碳達峰、碳中和的目標背景下，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用價值。相較于傳統(tǒng)高能耗分離技術如溶劑吸收、深冷精餾等，壓力驅動的膜分離技術能耗極低、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的核心，高性能的二維分離膜是該研究領域前沿性研究議題。

　　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，進一步提升膜分離性能，拓展COFs膜在二氧化碳分離中的應用范圍，如用于二氧化碳/氮氣、二氧化碳/甲烷分離等。