據(jù)悉，近日天津大學化工學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氣體排放，也為氣體分離技術開辟了一個全新領域。

 

英國倫敦時間2018年11月19日下午，天津大學化工學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”的學術論文（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構單元，成功構筑了具有有序微孔結構的金屬誘導有序微孔聚合物（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。來自德州農工大學的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開辟了一個全新的領域。

 

 

據(jù)介紹，二氧化碳的分離與捕集對于緩解工業(yè)生產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絡結構的晶態(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，在化學化工領域得到許多應用，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特殊的孔道結構，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、烴類和醇類的氧化反應、酯化反應、Diels-Alder 反應等多種反應，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、應用領域，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構容易被破壞。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。

 

王志教授團隊經過不懈努力，首次成功構筑了具有有序微孔結構的金屬誘導有序微孔聚合物（MMPs），用于二氧化碳和氮氣的高效分離。該結構以銅或鋅金屬離子、有機偶聯(lián)分子和短鏈的高分子聚合物作為結構單元。“MMPs”可以涂覆在商品基膜上，既具有“MOFs”孔結構的特征，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，該結構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分離膜技術的研究。為突破CO2分離膜的性能瓶頸，從綜合調控膜結構、聯(lián)合多種選擇機制、構筑CO2高速傳遞通道以及構筑高效仿生結構等方面設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先水平的新型CO2分離膜材料，相關研究成果發(fā)表在《Nature Materials》、《Angewandte Chemie International Edition》、《Advanced Materials》、《AIChE Journal》、《Energy & Environmental Science》等高水平期刊上。在此基礎上，系統(tǒng)開發(fā)了膜材料、膜及膜組件的規(guī)?；苽浼夹g。CO2分離膜相關研究得到了國家重點研發(fā)計劃、863計劃、973計劃、國家自然科學基金重點項目等項目的支持。

 

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