[Nat. Mater.]天津大学&天津工业大学：金属诱导有序微孔膜用于碳捕集

前言

气体分离的重要性是不言而喻的，小编粗略的统计了一下在各大顶级刊物上的相关论文（中国的科学家贡献不小！其中大部分都是MOFs材料）。物质的分离一直是科研领域研究的重点方向。或许因为自然界的“熵增”规律，物质混合导致混乱度的增加，且是一种自发的行为；而将物质进行分离出来是一个既耗能又耗时的过程。据估计，工业生产中分离占到了化工工厂成本的近70%，可见分离过程对于生产的重要性。在学术界，气体分离，海水淡化等也是膜分离的研究重点。

顶刊上关于气体分离的相关论文（其中有一篇是关于溶液中离子的选择性分离，相关论文已经上传到百度网盘，读者请自取链接: https://pan.baidu.com/s/1bJkYgpakl1UdMrtCAA73cA 提取码: iqi9 ）

背景介绍

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。

第一作者：Zhihua Qiao, Song Zhao

通讯作者：王志教授，Prof. Chongli Zhong, Prof. Michael D. Guiver

通讯单位：天津大学，天津工业大学和天津化学化工协同创新中心

本文亮点

今天上线的这篇Nat. Mater. 来自于天津大学，天津工业大学和天津化学化工协同创新中心；通讯作者分别为：王志教授, Prof. Chongli Zhong和Prof. Michael D. Guiver。 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技术开辟了一个全新的领域。

图3 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

图文解析

图4 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5 MMPs的晶体结构及其形貌

图6 MMPs的孔径分布，热重曲线，干湿状态下气体的吸附容量

图7 构筑的分离膜的形貌及其分离性能

部分作者介绍

天津大学王志教授课题组长期致力于CO₂分离膜的研究，得到了国家自然科学基金重点项目、国家973计划和863计划、天津市科技支撑计划以及企业合作项目的支持，形成了从膜材料设计和膜制备到膜组件研制和膜装置开发的完整技术链条。为突破CO₂分离膜的性能瓶颈，提出了“多层次综合调控膜结构以及实现多种选择机制在膜内并存”的制膜思路，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。针对实际分离体系中各种杂质气体的影响，选择含有抗氧化性和耐酸性功能基团的膜材料，提高膜的耐杂质性能。成功开发了多种性能处于世界先进甚至领先水平的CO₂分离膜。相关研究成果已在《Angewandte Chemie International Edition》、《Advanced Materials》、《AIChE Journal》、《Energy & Environmental Science》、《Journal of membrane Science》等国际期刊发表论文46篇，获授权国家发明专利18项，建立了不同规模的制备CO₂分离膜及膜组件试验装置以及膜分离沼气脱碳工业试验装置。 

Guiver Group成员在绿色能源实验室的合影

Michael D. Guiver教授，Journal of Membrane Science编辑（Editor）。曾任加拿大国家研究委员会科学家。长期从事燃料电池用聚合物电解质隔膜、气体分离膜等。在Science，Nature Materials，Progress in Polymer Science, Energy & Environmental Science, Advanced Materials等发表论文210余篇。