科學(xué)家成功制備出“薄于蟬翼”的分子篩膜

　　由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所楊維慎研究員和李硯碩研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，首次成功制備出一種由1納米厚的納米片構(gòu)成的分子篩膜，其厚度僅為蟬翼厚度的千分之一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)“薄于蟬翼”。常規(guī)分子篩膜的厚度則為蟬翼厚度的十倍以上。

　　該納米片不僅極薄，而且具有如“篩眼”般高度規(guī)整的孔道，可以精確篩分尺寸差異僅為0.04 納米的氫氣和二氧化碳分子，從而將后者有效截留。該納米片分子篩膜的滲透通量和分離選擇性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了文獻(xiàn)報(bào)道的所有氫氣/二氧化碳分離膜，是文獻(xiàn)顯示唯一能達(dá)到二氧化碳燃燒前捕獲應(yīng)用要求的膜材料。該項(xiàng)研究成果12月12日發(fā)表在《科學(xué)》(Science)(10.1126/science.1254227)上。

　　近年來，二維層狀多孔材料正在成為低維材料和納米孔材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。二維MOFs材料豐富的孔口結(jié)構(gòu)和可調(diào)變的表面性質(zhì)為MOFs納米片分子篩膜的定向設(shè)計(jì)合成提供了重要平臺(tái)。該項(xiàng)工作首次展示了二維層狀MOFs材料在超薄分子篩膜領(lǐng)域的重要應(yīng)用。制備得到的納米片分子篩膜有望在整合煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)中發(fā)揮實(shí)際作用，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的燃燒前捕獲。該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目資助。

　　氫氣和二氧化碳的分離是清潔能源和二氧化碳捕獲中的關(guān)鍵步驟，利用選擇性膜材料，實(shí)現(xiàn)二者分子水平的分離，是工業(yè)界長期以來的夢(mèng)想。對(duì)于常規(guī)膜材料，均存在滲透通量和分離選擇性之間此消彼長的關(guān)系。因此，如何同時(shí)提高分離膜的滲透通量和分離選擇性是學(xué)術(shù)界的重要挑戰(zhàn)。

　　《膜科學(xué)》雜志副主編，美國著名無機(jī)膜科學(xué)家林躍生(Y. Lin)教授評(píng)價(jià)該項(xiàng)研究成果是膜科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要進(jìn)展(A major advance in membrane science);德國著名分子篩膜和膜催化科學(xué)家卡羅(J. Caro)教授評(píng)價(jià)該研究是分子篩膜領(lǐng)域的一個(gè)開創(chuàng)性工作(A ground-breaking work);日本膜協(xié)會(huì)主席，著名微孔膜科學(xué)家都留(T. Tsuru)教授評(píng)價(jià)該項(xiàng)研究發(fā)展了新一代(A new generation)分子篩膜。

　　提高分離膜的滲透通量，關(guān)鍵是如何有效降低膜厚;提高分離膜的選擇性，關(guān)鍵是如何在膜內(nèi)構(gòu)筑分子尺度的孔道。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究團(tuán)隊(duì)將一種取得廣泛研究的沸石咪唑酯骨架(Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs)，ZIF-7 納米粒子，(Zn(bim)2, bim=benzimidazolate)進(jìn)行水熱處理，得到具有優(yōu)異穩(wěn)定性的二維層狀骨架母體材料(Zn2(bim)4)，以甲醇與正丙醇為分散劑，結(jié)合超低功率濕法球磨與超聲分散技術(shù)，在國際上首次成功開層獲得了單分子層厚度(～1nm)的金屬有機(jī)骨架(Metal Organic Frameworks, MOFs)納米片。

　　在此基礎(chǔ)上，通過熱組裝方法得到超薄分子篩膜。該納米片分子篩膜的氫氣/二氧化碳分離系數(shù)達(dá)到200以上，氫氣透量達(dá)到2000 GPUs以上(1CPU=1 × 10-6 cm3/cm2•sec•cmHg，STP)，遠(yuǎn)高于迄今報(bào)道的有機(jī)和無機(jī)膜的氫氣/二氧化碳分離性能。該納米片分子篩膜在不同升降溫條件(室溫至200 oC)和水熱條件(150 oC)下進(jìn)行了長達(dá)400小時(shí)的穩(wěn)定性測(cè)試，膜性能保持不變。