革命性的气体分离:效率和成本的双重突破
革命性的气体分离:效率和成本的双重突破
气体分离技术在工业、环保等领域有着广泛应用，但传统方法往往能耗高、成本大。近日，美国科罗拉多大学博尔德分校张伟教授团队在《科学》杂志发表研究论文，介绍了一种新型多孔材料，这种材料可以根据温度变化调节孔径大小，实现高效、低能耗的气体分离。
气体分离在许多行业都是至关重要的，但通常涉及能源密集型过程，例如冷却气体使其液化，然后根据其蒸发温度将其分离。然而，科罗拉多大学博尔德分校的张伟(Wei Zhang音译)教授和他的团队已经开发出一种新型的多孔材料，这种材料具有灵活性、可持续性和节能性。这种材料可以在不同的温度下调节孔径大小，选择性地允许某些气体通过，这可能会彻底改变气体分离的方式，并减少这些过程所需的总能量。
气体分离在各种行业中发挥着至关重要的作用，从从空气中分离氮气和氧气的医疗应用，到从其他气体中分离二氧化碳的碳捕获等环境过程，以及通过去除杂质来净化天然气。
然而，分离气体既耗能又昂贵。例如，当分离氧气和氮气时，你需要将空气冷却到非常低的温度，直到它们液化。然后，通过缓慢提高温度，气体将在不同温度点蒸发，使其中一种再次变成气体并分离出来，科罗拉多大学博尔德分校化学教授兼化学系主任张伟解释说：“这是非常能源密集和昂贵的。”
许多气体分离依赖于气体通过并分离的多孔材料。这也是一个长期存在的问题，因为这些多孔材料通常是特定于被分离的气体类型的。试着用任何其他类型的气体通过它们，它们都不起作用。
然而，在2024年7月6日发表在《科学》（Science）杂志上的一项研究中，张伟和他的合作研究人员详细介绍了一种新型多孔材料，这种材料可以容纳和分离许多不同的气体，而且是由常见的、现成的材料制成的。此外，它结合了刚性和柔性，使基于尺寸的气体分离能够在大大降低能源成本的情况下发生。
增加了灵活性
长期以来，用于气体分离的多孔材料是刚性的，并且根据所分离的气体类型具有亲和性。刚性使得孔隙能够被明确定义，并有助于指导气体的分离，但也限制了可以通过气体的数量，因为不同的分子大小各异。
几年来，张伟和他的研究小组一直致力于开发一种多孔材料，这种材料在刚性多孔材料的连接节点上引入了柔韧性元素。这种灵活性使得分子连接体可以振荡，或者以一定的速度来回移动，从而改变材料中可进入的孔隙大小，使其适应多种气体。
张伟说：“我们发现，在室温下，孔隙相对最大，柔性连接件几乎不动，因此大多数气体可以进入。当我们将温度从室温提高到约50℃时，连接器的振荡变得更大，导致有效孔径缩小，因此较大的气体无法进入。如果我们继续提高温度，更多的气体由于振荡的增加和孔隙尺寸的进一步缩小而被拒之门外。最后，在100℃时，只有最小的气体，氢气，可以通过。”
张伟和他的同事们开发的材料是由小有机分子组成的，与沸石最相似，沸石是一种多孔的晶体材料，主要由硅（Si）、铝(Al)和氧(O)组成。他说：“这是一种多孔材料，有很多高度有序的孔隙。你可以把它想象成蜂巢。它的大部分是固体有机材料，这些有规则大小的孔排列并形成通道。”
研究人员使用了一种相当新型的动态共价化学，专注于硼氧键。利用硼原子周围有4个氧原子，他们利用硼和氧之间键的可逆性，这种键可以一次又一次地断裂和重组，从而实现自我纠正、防错行为，并导致结构有序框架的形成。
张伟说:“我们想要建造一些具有可调性、响应性和适应性的东西，我们认为硼氧键可以是一个很好的组成部分，可以集成到我们正在开发的框架中，因为它具有可逆性（reversibility）和灵活性（flexibility）。”
可持续性解决方案
开发这种新型多孔材料确实需要时间，张伟说：“制作这种材料很容易，也很简单。困难在最开始的时候，当我们第一次获得这种材料，需要理解或阐明它的结构，键是如何形成的，这种材料的角度是如何形成的，它是二维的还是三维的。我们遇到了一些挑战，因为数据看起来很有希望，我们只是不知道如何解释它。它显示出某些(X射线衍射)峰，但我们不能立即弄清楚这些峰对应的是哪种结构。”
因此，他和他的研究同事退了一步，这可能是科学过程中一个重要但很少讨论的部分。他们专注于小分子模型系统，其中包含与他们材料中相同的反应位点，以了解分子构建块如何在固态中堆积，这有助于解释数据。
张伟补充说，他和他的合作研究人员在开发这种材料时考虑了可扩展性，因为它的潜在工业用途需要大量的材料，“我们相信这种方法具有高度的可扩展性。这种构建模块在商业上是可以买到的，而且不贵，所以当时机成熟时，它可以被工业界采用。”
他们已经为这种材料申请了专利，并正在继续研究其他构建模块材料，以了解这种方法的基板范围。张伟还说，他看到了与工程研究人员合作，将这种材料整合到基于膜的应用中的潜力。
张伟说：“膜分离通常需要更少的能量，所以从长远来看，它们可能才是更可持续的解决方案。我们的目标是改进技术，以可持续的方式满足行业需求。”