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中国中国科学技术大学学大化所在气体分离膜领域获第一进展

大连日报讯天然气、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。气体膜分离技术是一种高效分离工艺手段,其中,膜材料是膜分离的基础和核心。近日,中国科学院大连化学物理研究所杨维慎研究员带领团队在二维MOFs气体分离膜领域取得新的进展,相关结果发表在《德国应用化学》上。

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,相关成果发表在《德国应用化学》上。

近日,从中国科学院大连化学物理研究所了解到该所杨维慎团队在气体分离膜领域取得重要进展,制备了气体分离“大师”——一个厚度小于10纳米的超薄MOF纳米片膜,该膜可单独通过氢气,而将不需要的二氧化碳留下。所谓气体膜分离技术,是指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,气体膜分离技术能耗更低,碳排放量更少,是一种高效、节能分离技术。大连化物所以金属有机骨架材料为研究对象,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。二维多孔纳米片由于其原子级别厚度以及极低的物质传输阻力,正成为高透量气体分离膜领域的研究热点。MOF纳米片由于其具有丰富的骨架结构资源以及分子尺度的高密度孔道,是一种十分理想的膜构筑单元。这一研究为开发高效节能气体分离技术带来了全新的机遇,受到业界的高度关注和认可。

天然气、氢气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,由于混合气体透过膜的传输速率不同,从而达到分离的一种高效分离工艺手段。相比深冷精馏、吸附、冷凝等传统气体分离技术,能耗更低,碳排放量更少,是一种高效、节能分离技术。

澳门官方游戏平台网址,杨维慎表示,气体膜分离的能耗更低,碳排放量更少,是一种高效、节能的分离技术。

然而制备结构稳定的金属有机骨架纳米片难度大,工艺过程复杂,这严重阻碍了二维MOF纳米片膜的后续发展。为解决此问题,大连化物所的科研团队在已有研究成果的基础上,选择了一种全新的双亲性层状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。

膜材料是膜分离的基础和核心。聚合物因其易于成形、成本低廉等优势占领了全球膜分离市场的主要份额。然而,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,渗透通量又不尽如人意,这严重制约了聚合物膜的应用。

膜分离的基础和核心就是膜材料。聚合物则以其易于成型、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,渗透通量又不尽如人意,这严重制约了聚合物膜的应用。

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,完全不同于其它二维纳米片膜材料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。

为突破这一瓶颈,杨维慎带领团队以金属-有机骨架材料为研究对象,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。

杨维慎研究员带领团队以金属-有机骨架材料为研究对象,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,试着突破这一瓶颈。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,于国际上第一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》上,受到国际同行的高度关注和认可。

上述工作得到中科院战略先导科技专项基金和国家自然科学基金的资助。

什么是MOF材料?它是指由金属离子和有机配体通过配位键连接而成的一系列一维、二维、三维有序多孔骨架结构。金属配位数及丰富的有机配体搭配组合为MOF提供了庞大资源库。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。其实施推广开创了气体分离膜新领域,并开启了广阔的应用市场。

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Zn23,第一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。

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,于全球首次剥层得到单分子层厚度的MOF纳米片,并随后制备出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》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。

更有趣的是,由于双亲性材料对二氧化碳的“偏爱”,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,完全不像其他二维纳米片膜材料那样性能随温度升高而降低。

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,说明MOFs纳米片及膜的制备仍具挑战。近日,杨维慎团队在该领域又取得重要进展。

杨维慎团队认为这个新型双亲性MOF纳米片,不仅在二氧化碳燃烧前捕获领域具有广阔应用前景,对于未来纳米片膜材料的选取,也具有重要指导意义。

研究团队选择了一种全新双亲性层状MOF前驱体,首次将其开层得到双层厚度纳米片,并制备了厚度小于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纳米片在CO2燃烧前捕获领域具有广阔应用前景,对于未来纳米片膜材料的选取具有重要指导意义。

(原载于《经济日报》 2017-08-14 16版)

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