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膜分离研究取得重大突破
膜分离研究取得重大突破
www.dicp.ac.cn    发布时间:2014-12-12 10:56    栏目类别:科研进展

  12月12日,我所杨维慎研究员和李砚硕研究员带领的研究团队在美国《科学》杂志发表了题为“Metal-organic framework nanosheets as building blocks for molecular sieve membranes”(Science 2014 (346) 1356-1359) 的研究成果。该团队在国际上首次成功地将二维金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)开层获得了单分子层厚度的分子筛纳米片。在此基础上,通过热组装方法得到厚度<5nm的超薄分子筛膜。该分子筛膜可以快速而精确地筛分尺寸差异仅为0.04 纳米的氢气和二氧化碳分子,从而将后者有效截留。该纳米片分子筛膜的渗透通量和分离选择性远远超过了文献报道的氢气/二氧化碳分离膜,是文献显示唯一能达到二氧化碳燃烧前捕获应用要求的膜材料。

    《膜科学》杂志副主编,美国著名无机膜科学家Y. Lin教授评价该项研究成果是膜科学领域的一个重要进展(A major advance in membrane science);德国著名分子筛膜和膜催化科学家J. Caro教授评价该研究是分子筛膜领域的一个开创性工作(A ground-breaking work);日本膜协会主席,著名微孔膜科学家T. Tsuru教授评价该项研究发展了新一代(A new generation)分子筛膜。 

  提高分离膜的渗透通量,关键是如何有效降低膜厚;提高分离膜的选择性,关键是如何在膜内构筑分子尺度的孔道。为此,分子筛纳米片是最为理想的高性能分离膜的构筑基元。如何获得大面积且高结晶度的分子筛纳米片,以及如何有效控制纳米片在分离膜中的组装形态,是纳米片分子筛膜概念得以实现的关键。中国科学院大连化学物理研究所研究团队将一种取得广泛研究的沸石咪唑酯骨架(Zeolitic Imidazolate Frameworks,ZIFs),ZIF-7 纳米粒子,(Zn(bim)2, bim=benzimidazolate)进行水热处理,得到具有优异稳定性的二维层状骨架母体材料(Zn2(bim)4),以甲醇与正丙醇为分散剂,结合超低功率湿法球磨与超声分散技术,在国际上首次成功开层获得了单分子层厚度(~1nm)的MOFs纳米片。在此基础上,通过热组装方法得到厚度 < 5nm的超薄分子筛膜。针对50:50的氢气/二氧化碳原料气,该纳米片分子筛膜的氢气/二氧化碳分离系数达到200以上,H2透量达到2000 GPUs(Gas Permeation units, 1CPU=1 × 10-6 cm3/cm2·sec·cmHg,STP)以上,远高于迄今报道的有机和无机膜的氢气/二氧化碳分离性能。该纳米片分子筛膜在不同升降温条件(室温至200 oC)和水热条件(150 oC,4 mol %水蒸气)下进行了长达400小时的稳定性测试,膜性能保持不变。有望在整合煤气化联合循环(IGCC)系统中发挥实际作用,实现二氧化碳的燃烧前捕获。 

  近年来,二维层状多孔材料正在成为低维材料和纳米孔材料领域的研究热点。该项工作首次展示了二维层状MOFs材料在超薄分子筛膜领域的重要应用。与此同时,二维MOFs材料丰富的孔口结构和可调变的表面性质为MOFs纳米片分子筛膜的定向设计合成提供了重要平台。 

  该项研究得到了国家自然科学基金和中科院重大突破择优支持的资助。(文/图 李砚硕)

  附:薄于蝉翼的分子筛膜 ——从二维晶体到超薄分离膜(视频清晰完整版)

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