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天津大学王志教授团队及其合作者首次实现超薄多孔膜大面积制备
2018-11-22  来源:天津大学

  二氧化碳的分离与捕集对于缓解生产过程中温室气体的排放具有重要意义。在碳捕集方面,在气体分离中大放异彩的MOFs材料显得不是很合适。其主要原因是大部分的碳分离捕集过程都会涉及到水份的影响,在潮湿的条件下MOFs材料的结构不是很稳定。并且在制备过滤膜的时候,MOFs材料一般会被涂覆到高分子薄膜上来形成“混合相”的薄膜。但是由于MOFs和薄膜之间没有化学的桥接作用,因此实际的过滤薄膜会存在很多缺陷以及MOFs的团聚,从而造成过滤膜的性能损失。

  英国伦敦时间2018年11月19日下午,天津大学大发排列3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。

  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大发排列3开辟了一个全新的领域。

图1.短链的高分子通过金属离子和有机连接剂相互连接构成了有序微孔聚合物

图2.通过聚合物导向及其金属离子诱导的方法合成有序微孔聚合物

图3.MMPs的晶体结构及其形貌

图4.MMPs的孔径分布,热重曲线,干湿状态下气体的吸附容量

图5.构筑的分离膜的形貌及其分离性能

  王志教授团队长期致力于CO2分离膜大发排列3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大发排列3。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。

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-018-0221-3

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