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            科學家成功制備出“薄于蟬翼”的分子篩膜

            2014/12/12 01:57
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              12月12日,由中國科學院大連化學物理研究所楊維慎研究員和李硯碩研究員帶領的研究團隊,首次成功制備出一種由1納米厚的納米片構成的分子篩膜,其厚度僅為蟬翼厚度的千分之一,遠遠“薄于蟬翼”。常規分子篩膜的厚度則為蟬翼厚度的十倍以上。該納米片不僅極薄,而且具有如“篩眼”般高度規整的孔道,可以精確篩分尺寸差異僅為0.04 納米的氫氣和二氧化碳分子,從而將后者有效截留。該納米片分子篩膜的滲透通量和分離選擇性遠遠超過了文獻報道的所有氫氣/二氧化碳分離膜,是文獻顯示唯一能達到二氧化碳燃燒前捕獲應用要求的膜材料。該項研究成果12月12日發表在《科學》(Science)(10.1126/science.1254227)上。

              氫氣和二氧化碳的分離是清潔能源和二氧化碳捕獲中的關鍵步驟,利用選擇性膜材料,實現二者分子水平的分離,是工業界長期以來的夢想。對于常規膜材料,均存在滲透通量和分離選擇性之間此消彼長的關系。因此,如何同時提高分離膜的滲透通量和分離選擇性是學術界的重要挑戰。

              《膜科學》雜志副主編,美國著名無機膜科學家林躍生(Y. Lin)教授評價該項研究成果是膜科學領域的一個重要進展(A major advance in membrane science);德國著名分子篩膜和膜催化科學家卡羅(J. Caro)教授評價該研究是分子篩膜領域的一個開創性工作(A ground-breaking work);日本膜協會主席,著名微孔膜科學家都留(T. Tsuru)教授評價該項研究發展了新一代(A new generation)分子篩膜。

              提高分離膜的滲透通量,關鍵是如何有效降低膜厚;提高分離膜的選擇性,關鍵是如何在膜內構筑分子尺度的孔道。中國科學院大連化學物理研究所研究團隊將一種取得廣泛研究的沸石咪唑酯骨架(Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs),ZIF-7 納米粒子,(Zn(bim)2, bim=benzimidazolate)進行水熱處理,得到具有優異穩定性的二維層狀骨架母體材料(Zn2(bim)4),以甲醇與正丙醇為分散劑,結合超低功率濕法球磨與超聲分散技術,在國際上首次成功開層獲得了單分子層厚度(~1nm)的金屬有機骨架(Metal Organic Frameworks, MOFs)納米片。在此基礎上,通過熱組裝方法得到超薄分子篩膜。該納米片分子篩膜的氫氣/二氧化碳分離系數達到200以上,氫氣透量達到2000 GPUs以上(1CPU=1 × 10-6 cm3/cm2?sec?cmHg,STP),遠高于迄今報道的有機和無機膜的氫氣/二氧化碳分離性能。該納米片分子篩膜在不同升降溫條件(室溫至200 oC)和水熱條件(150 oC)下進行了長達400小時的穩定性測試,膜性能保持不變。

              近年來,二維層狀多孔材料正在成為低維材料和納米孔材料領域的研究熱點。二維MOFs材料豐富的孔口結構和可調變的表面性質為MOFs納米片分子篩膜的定向設計合成提供了重要平臺。該項工作首次展示了二維層狀MOFs材料在超薄分子篩膜領域的重要應用。制備得到的納米片分子篩膜有望在整合煤氣化聯合循環(IGCC)系統中發揮實際作用,實現二氧化碳的燃燒前捕獲。

              該項研究得到了國家自然科學基金和中國科學院重點部署項目資助。

              作者:李硯碩 劉萬生 來源:科學網

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