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中科院大連化學(xué)物理研究所實現(xiàn)小分子氣體二氧化碳的高效分離

2021-08-12 13:17:22 來源：中國科學(xué)報

雙碳目標(biāo)下，“捕獲”二氧化碳，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。近日，中科院大連化學(xué)物理研究所研究員楊維慎、副研究員彭媛團隊在純相共價有機框架氣體分離膜方面取得新進(jìn)展，以二維共價有機框架（COFs）納米片為分離膜構(gòu)筑基元，誘發(fā)錯排縮孔效應(yīng)，成功將COFs的孔徑縮小，實現(xiàn)小分子氣體二氧化碳的高效分離。相關(guān)成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。

長久以來，針對混合氣體的高效分離，研究人員聚焦在擁有較小孔徑的金屬—有機框架材料上，而COFs由于孔徑大于0.8納米，一直被用作液體分離，難以精確分離小分子氣體。為了構(gòu)建具有高效二氧化碳分離性能的純相二維COFs膜，研究團隊提出錯位堆疊COFs納米片以縮小孔徑的設(shè)想。“這就像把大孔的漁網(wǎng)錯位疊在一起網(wǎng)住小魚一樣。”彭媛說。

要拆解重新組裝，必須得有極薄的COFs納米片。在前期研究基礎(chǔ)上，該團隊以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，將厚度約3000納米的COFs材料剝離為厚度約2納米、尺寸達(dá)微米級的系列超薄納米片層。而后，通過精確控制納米片錯排組裝策略，成功構(gòu)建出孔徑尺寸適合二氧化碳分離的純相COFs膜。COFs有豐富的表面官能團，能夠選擇識別和吸附二氧化碳。

實驗結(jié)果表明，COFs納米片錯排縮孔效應(yīng)與骨架對二氧化碳選擇性吸附特性的協(xié)同作用，誘發(fā)了氣體在膜內(nèi)表面擴散機制，實現(xiàn)了二氧化碳/氫氣混合氣中大分子二氧化碳優(yōu)先滲透分離，分離性能達(dá)到工業(yè)應(yīng)用需求。

標(biāo)簽：二氧化碳高效分離縮孔效應(yīng) 氣體分離膜