氫氣通過，二氧化碳留下-氣體分離「大師」有絕招

中國經濟網北京7月26日訊(記者佘惠敏、通訊員彭媛)近日，中國科學院大連化學物理研究所楊維慎團隊在二維MOFs氣體分離膜領域取得重要新進展，相關成果以通訊形式發表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上。

天然氣、氫氣、烷烴、烯烴等氣體是重要的能源及基礎化工原料，其高效、節能、環保的分離需求越發迫切。氣體膜分離技術是在一定壓力差的驅動下，混合氣體透過膜的傳輸速率不同，達到分離目的的一種高效分離工藝手段，分離過程不發生相變。相比深冷精餾、吸附、冷凝等傳統的氣體分離技術能耗更低，碳排放量更少，是一種高效、節能分離技術。

膜材料是膜分離的基礎和核心。聚合物由於其易於成型、成本低廉等優勢佔領了全球膜分離市場的主要份額。然而甘瓜苦蒂，天下物無全美，聚合物膜滲透通量高時，往往分離選擇性低；分離選擇性高時，滲透通量又不盡人意，這嚴重製約了聚合物膜的應用。

為突破這一瓶頸，楊維慎研究員帶領團隊以金屬-有機骨架材料（Metal-organic Framework，MOF）為研究對象，在國際上率先提出以二維多孔納米片構築高效超透氣型分離膜。

什麼是MOF材料？它是指由金屬離子和有機配體通過配位鍵合連接而成的一系列一維、二維、三維有序多孔骨架結構。為什麼選擇它？金屬配位數及豐富的有機配體搭配組合為MOF提供了其它材料無法企及的龐大資源庫。二維MOF納米片具有分子級別厚度以及規整的分子尺度的高密度孔道，可同時實現超高氣體滲透通量和超高分離選擇性（精確分子篩分）。這一概念的實施和推廣不僅開創了氣體分離膜新領域，而且開啟了更為廣闊的應用市場。

然而，要想製備高質量的超薄MOF納米片並非易事。楊維慎研究團隊選取了一種結構穩定的層狀MOF前驅體，在溫和的物理外力作用下，於國際上首次剝層得到單分子層厚度的MOF納米片，隨後利用自主研發的熱組裝法製備了具有超高氣體滲透通量和精確分子篩分能力的二維MOF納米片膜。這一成果曾於2014年發表於國際頂級學術期刊《科學》（Science）上，受到國際同行的高度關注和認可，為開發高效、節能氣體分離技術帶來了曙光和機遇。

然而近幾年來，相較於石墨烯等其他二維材料，二維MOFs納米片膜的發展相對緩慢，這也充分說明MOFs納米片及膜的製備仍具挑戰。近日，楊維慎團隊在二維MOFs氣體分離膜領域又取得新的重要進展。

研究團隊選擇了一種全新雙親性層狀MOF前驅體Zn2(Bim)3，首次將其開層得到雙層厚度納米片，並通過熱組裝方法製備了厚度小於10 納米的超薄MOF納米片膜。該膜具有恰當尺寸的納米片孔道及片層間空隙，對於尺寸差異僅0.04納米的氫氣和二氧化碳混合氣體而言，更大的二氧化碳分子無法穿過孔道而只能老實地繞過片層走，而小巧的氫氣分子則能夠穿過孔道這一捷徑，直達膜的另一側，從而展現出極佳的氣體篩分性能。

更為有趣的是，由於雙親性材料對二氧化碳的「偏愛」，使得二氧化碳分子想要透過膜，需要耗費更多的能量，因此該膜隨著測試溫度的升高，其對氫氣透量和混合氣體分離選擇性同時升高，二氧化碳透量卻幾乎不變，完全不像其它二維納米片膜材料那樣性能隨溫度升高而降低。

新型雙親性MOF納米片不僅在CO2燃燒前捕獲領域具有廣闊應用前景，而且對於未來納米片膜材料的選取具有重要指導意義。

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