據(jù)悉，近日天津大學(xué)化工學(xué)院王志教授團隊及其合作者在世界上首次實現(xiàn)了多孔材料膜的超薄大面積制備，可更為容易地實現(xiàn)二氧化碳的分離與捕集，這一研究不僅有助于緩解溫室效應(yīng)氣體排放，也為氣體分離技術(shù)開辟了一個全新領(lǐng)域。

 

英國倫敦時間2018年11月19日下午，天津大學(xué)化工學(xué)院王志教授團隊及其合作者在《自然·材料》（Nature Materials）在線發(fā)表了題為“Metal-induced ordered microporous polymers for fabricating large-area gas separation membranes”的學(xué)術(shù)論文（DOI：10.1038/s41563-018-0221-3），本工作首次實現(xiàn)了超薄多孔膜的大面積制備。

論文首次發(fā)現(xiàn)了可以通過金屬誘導(dǎo)的方法來合成有序微孔膜，用于高效的CO2/N2分離。在該論文中，作者以金屬離子（Cu2+, Zn2+），有機偶聯(lián)分子和短鏈的高分子聚合物作為結(jié)構(gòu)單元，成功構(gòu)筑了具有有序微孔結(jié)構(gòu)的金屬誘導(dǎo)有序微孔聚合物（MMPs）。MMPs可以涂覆在商業(yè)的薄膜上，具有很好的機械穩(wěn)定性。且由于CO2和其中的聚合物單元具有較好的親和性，因此能夠透過薄膜；而親和性較差的氮氣被阻擋，從而實現(xiàn)了氣體的分離。來自德州農(nóng)工大學(xué)的Prof. Freeman在同期的雜志上發(fā)表評論，認為該項工作為氣體的分離技術(shù)開辟了一個全新的領(lǐng)域。

 

 

據(jù)介紹，二氧化碳的分離與捕集對于緩解工業(yè)生產(chǎn)過程中溫室氣體的排放具有重要意義。但是，在碳捕集方面，目前在氣體分離中大放異彩的“MOFs”材料效果并不理想。

 

MOFs是金屬有機骨架化合物（英文名稱Metal organic Framework）的簡稱。是由無機金屬中心（金屬離子或金屬簇）與橋連的有機配體通過自組裝相互連接，形成的一類具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料。MOFs是一種有機-無機雜化材料，也稱配位聚合物（coordination polymer），它既不同于無機多孔材料，也不同于一般的有機配合物。兼有無機材料的剛性和有機材料的柔性特征。使其在現(xiàn)代材料研究方面呈現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿驼T人的發(fā)展前景。MOFs因具有多孔、大比表面積和多金屬位點等諸多性能，在化學(xué)化工領(lǐng)域得到許多應(yīng)用，例如氣體貯存、分子分離、催化、藥物緩釋等。

 

（1）氣體的吸附與儲存：MOFs特殊的孔道結(jié)構(gòu)，是理想的氫氣存貯材料，現(xiàn)在MOF177在77K下的儲氫能力已達到7.5%，當前研究重點是室溫下達到高儲氫能力的突破；

 

（2）分子分離：MOFs的孔道大小和孔道表面可以控制，可以用于烷烴分離，也可以由于手性分離，在這方面的應(yīng)用正在擴大；

 

（3）催化：MOFs材料的不飽和金屬位點作為Lewis酸位，可以用作催化中心，現(xiàn)已用于氰基化反應(yīng)、烴類和醇類的氧化反應(yīng)、酯化反應(yīng)、Diels-Alder 反應(yīng)等多種反應(yīng)，具有較高的活性；

 

（4）藥物的緩釋：MOFs材料具有較高的載藥量、生物兼容性及功能多樣性，可廣泛用于藥物載體，例如MIL-100和MIL-101對布洛芬有較好的載藥和釋放效果；其固載率和緩釋時間分別為350mg/g,3天，1400mg/g,6天。展望未來MOFs材料無論在品種、性能、合成方法、應(yīng)用領(lǐng)域，作為一類新型材料，還會進一步發(fā)展和擴大。

 

工業(yè)生產(chǎn)尤其是電力行業(yè)中，排放的氣體往往含有大量的水蒸氣。然而，“MOFs”材料在潮濕的條件下結(jié)構(gòu)容易被破壞。并且，在制備分離過濾膜的過程中，“MOFs”材料需要和另外一種聚合物混合后，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間并沒有化學(xué)的橋接作用，會使得實際的過濾薄膜存在如裂紋及不均勻等缺陷，從而影響實際使用性能。

 

王志教授團隊經(jīng)過不懈努力，首次成功構(gòu)筑了具有有序微孔結(jié)構(gòu)的金屬誘導(dǎo)有序微孔聚合物（MMPs），用于二氧化碳和氮氣的高效分離。該結(jié)構(gòu)以銅或鋅金屬離子、有機偶聯(lián)分子和短鏈的高分子聚合物作為結(jié)構(gòu)單元。“MMPs”可以涂覆在商品基膜上，既具有“MOFs”孔結(jié)構(gòu)的特征，又克服了其缺點，且具有更好的成膜性，更佳的穩(wěn)定性。同時，該結(jié)構(gòu)可以使和其中的聚合物單元具有較好親和性的二氧化碳透過；而親和性較差的氮氣被阻擋，從而實現(xiàn)了氣體的分離。

王志教授團隊長期致力于CO2分離膜技術(shù)的研究。為突破CO2分離膜的性能瓶頸，從綜合調(diào)控膜結(jié)構(gòu)、聯(lián)合多種選擇機制、構(gòu)筑CO2高速傳遞通道以及構(gòu)筑高效仿生結(jié)構(gòu)等方面設(shè)計和制備高性能膜材料。成功開發(fā)了多種分離性能處于世界先進甚至領(lǐng)先水平的新型CO2分離膜材料，相關(guān)研究成果發(fā)表在《Nature Materials》、《Angewandte Chemie International Edition》、《Advanced Materials》、《AIChE Journal》、《Energy & Environmental Science》等高水平期刊上。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)開發(fā)了膜材料、膜及膜組件的規(guī)?；苽浼夹g(shù)。CO2分離膜相關(guān)研究得到了國家重點研發(fā)計劃、863計劃、973計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目等項目的支持。

 

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