超薄多孔新材料轻松“捕获”二氧化碳,为减缓温室效应带来福音

据悉,近日天津大学化工学院王志教授团队及其合作者在世界上首次实现了多孔材料膜的超薄大面积制备,可更为容易地实现二氧化碳的分离与捕集,这一研究不仅有助于缓解温室效应气体排放,也为气体分离技术开辟了一个四肖免费期期准领域。

英国伦敦时间2018年11月19日下午,天津大学化工学院王志教授团队及其合作者在《自然·材料》(Nature Materials)在线发表了题为“Metal-induced ordered microporous polymers for fabricating large-area gas separation membranes”的学术论文(DOI:10.1038/s41563-018-0221-3),本工作首次实现了超薄多孔膜的大面积制备。

超薄多孔新材料轻松“捕获”二氧化碳,为减缓温室效应带来福音

论文首次发现了可以通过金属诱导的方法来合成有序微孔膜,用于高效的CO2/N2分离。在该论文中,作者以金属离子(Cu2+, Zn2+),有机偶联分子和短链的高分子聚合物作为结构单元,成功构筑了具有有序微孔结构的金属诱导有序微孔聚合物(MMPs)。MMPs可以涂覆在商业的薄膜上,具有很好的机械稳定性。且由于CO2和其中的聚合物单元具有较好的亲和性,因此能够透过薄膜;而亲和性较差的氮气被阻挡,从而实现了气体的分离。来自德州农工大学的Prof. Freeman在同期的杂志上发表评论,认为该项工作为气体的分离技术开辟了一个四肖免费期期准的领域。

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超薄多孔新材料轻松“捕获”二氧化碳,为减缓温室效应带来福音

据介绍,二氧化碳的分离与捕集对于缓解工业生产过程中温室气体的排放具有重要意义。但是,在碳捕集方面,目前在气体分离中大放异彩的“MOFs”材料效果并不理想。

MOFs是金属有机骨架化合物(英文名称Metal organic Framework)的简称。是由无机金属中心(金属离子或金属簇)与桥连的有机配体通过自组装相互连接,形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。MOFs是一种有机-无机杂化材料,也称配位聚合物(coordination polymer),它既不同于无机多孔材料,也不同于一般的有机配合物。兼有无机材料的刚性和有机材料的柔性特征。使其在现代材料研究方面呈现出巨大的发展潜力和诱人的发展前景。MOFs因具有多孔、大比表面积和多金属位点等诸多性能,在化学化工领域得到许多应用,例如气体贮存、分子分离、催化、药物缓释等。

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(1)气体的吸附与储存:MOFs特殊的孔道结构,是理想的氢气存贮材料,现在MOF177在77K下的储氢能力已达到7.5%,当前研究重点是室温下达到高储氢能力的突破;

(2)分子分离:MOFs的孔道大小和孔道表面可以控制,可以用于烷烃分离,也可以由于手性分离,在这方面的应用正在扩大;

(3)催化:MOFs材料的不饱和金属位点作为Lewis酸位,可以用作催化中心,现已用于氰基化反应、烃类和醇类的氧化反应、酯化反应、Diels-Alder 反应等多种反应,具有较高的活性;

(4)药物的缓释:MOFs材料具有较高的载药量、生物兼容性及功能多样性,可广泛用于药物载体,例如MIL-100和MIL-101对布洛芬有较好的载药和释放效果;其固载率和缓释时间分别为350mg/g,3天,1400mg/g,6天。展望未来MOFs材料无论在品种、性能、合成方法、应用领域,作为一类新型材料,还会进一步发展和扩大。

工业生产尤其是电力行业中,排放的气体往往含有大量的水蒸气。然而,“MOFs”材料在潮湿的条件下结构容易被破坏。并且,在制备分离过滤膜的过程中,“MOFs”材料需要和另外一种聚合物混合后,涂覆到高分子基膜上,形成“混合相”薄膜。但是,由于“MOFs”和薄膜中的聚合物之间并没有化学的桥接作用,会使得实际的过滤薄膜存在如裂纹及不均匀等缺陷,从而影响实际使用性能。

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王志教授团队经过不懈努力,首次成功构筑了具有有序微孔结构的金属诱导有序微孔聚合物(MMPs),用于二氧化碳和氮气的高效分离。该结构以铜或锌金属离子、有机偶联分子和短链的高分子聚合物作为结构单元。“MMPs”可以涂覆在商品基膜上,既具有“MOFs”孔结构的特征,又克服了其缺点,且具有更好的成膜性,更佳的稳定性。同时,该结构可以使和其中的聚合物单元具有较好亲和性的二氧化碳透过;而亲和性较差的氮气被阻挡,从而实现了气体的分离。

王志教授团队长期致力于CO2分离膜技术的研究。为突破CO2分离膜的性能瓶颈,从综合调控膜结构、联合多种选择机制、构筑CO2高速传递通道以及构筑高效仿生结构等方面设计和制备高性能膜材料。成功开发了多种分离性能处于世界先进甚至领先水平的新型CO2分离膜材料,相关研究成果发表在《Nature Materials》、《Angewandte Chemie International Edition》、《Advanced Materials》、《AIChE Journal》、《Energy & Environmental Science》等高水平期刊上。在此基础上,系统开发了膜材料、膜及膜组件的规模化制备技术。CO2分离膜相关研究得到了国家重点研发计划、863计划、973计划、国家自然科学基金重点项目等项目的支持。

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来源:人民网
编辑:GY653

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