制备出高性能超薄二氧化碳分离膜

陈小将

双碳目标下，“捕获”二氧化碳，发展低能耗、环境友好的二氧化碳选择性分离膜具有重要意义。近日，中科院大连化学物理研究所研究员杨维慎、副研究员彭媛团队在纯相共价有机框架气体分离膜方面取得新进展，以二维共价有机框架（COFs）纳米片为分离膜构筑基元，诱发错排缩孔效应，成功将COFs的孔径缩小，实现小分子气体二氧化碳的高效分离。相关成果发表在《德国应用化学》上。
　　长久以来，针对混合气体的高效分离，研究人员聚焦在拥有较小孔径的金属—有机框架材料上，而COFs由于孔径大于0.8纳米，一直被用作液体分离，难以精确分离小分子气体。为了构建具有高效二氧化碳分离性能的纯相二维COFs膜，研究团队提出错位堆叠COFs纳米片以缩小孔径的设想。“这就像把大孔的渔网错位叠在一起网住小鱼一样。”彭媛说。
　　要拆解重新组装，必须得有极薄的COFs纳米片。在前期研究基础上，该团队以3种不同表面化学和孔径的层状COFs材料为研究对象，发展出一种弱酸性溶剂剥层，并辅以温和机械外力的方法，将厚度约3000纳米的COFs材料剥离为厚度约2纳米、尺寸达微米级的系列超薄纳米片层。而后，通过精确控制纳米片错排组装策略，成功构建出孔径尺寸适合二氧化碳分离的纯相COFs膜。COFs有丰富的表面官能团，能够选择识别和吸附二氧化碳。
　　实验结果表明，COFs纳米片错排缩孔效应与骨架对二氧化碳选择性吸附特性的协同作用，诱发了气体在膜内表面扩散机制，实现了二氧化碳/氢气混合气中大分子二氧化碳优先渗透分离，分离性能达到工业应用需求。
　　（记者卜叶）