AFM｜用于高效多场景CO2分离的坚固MOF膜

AFM｜用于高效多场景CO2分离的坚固MOF膜

引用

澎湃

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https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_29065664

随着全球对碳中和目标的日益重视，CO2分离技术的研究已成为环境科学领域的热点。近日，Advanced Functional Materials期刊发表了一项重要研究，科学家们开发出一种新型MOF膜材料，通过调控其取向和形态，实现了对CO2的高效选择性分离。

研究背景和意义

有效的CO2从多样化的碳氢化合物气流中分离对于缓解全球变暖和维持可持续的碳中和社会至关重要。现有的商业方法，如低温蒸馏和胺洗涤，能耗高、成本高，并且具有显著的不连续操作特性。因此，需要先进的CO2分离技术来节省能源和减少排放。

膜分离技术因其节能、环保、连续操作和高集成性而受到广泛关注。然而，现有的聚合物膜通常受到渗透性-选择性权衡和膜降解/塑化的影响。晶体分子筛膜为工业CO2分离应用提供了新的机会，因为它们具有高分离精度和显著的结构稳定性。MOFs（金属-有机框架）是代表性的多晶膜候选材料，具有多样的周期性结构、定制的分子筛孔口和多功能性。但是，针对不同的气体分子和气体混合物，需要针对一种具有特定结构、孔口、侧基等的MOF材料进行研究和开发，这导致研究成本高、开发周期长。

本研究通过精确控制MIL-140A膜的取向和形态，实现了“一箭双雕”的CO2选择性和CO2排斥性分离能力。这是首次报道新型MIL-140A膜，并同时实现了相反的CO2分离表达模式，用于多场景CO2分离。

实验过程

1. 合成MIL-140A纳米片：通过溶剂热法合成MIL-140A纳米片。
2. 沉积MIL-140A种子层：使用旋涂法在多孔α-Al2O3基底上沉积(200)取向的MIL-140A种子层。
3. 制备优先取向(h0h)的MIL-140A膜：在175°C下进行二次生长，形成优先取向(h0h)的MIL-140A膜。
4. 制备高度(200)取向的MIL-140A膜：在100°C下进行二次生长，形成高度(200)取向的MIL-140A膜。

主要结果和结论

优先取向(h0h)的MIL-140A膜在混合CO2/CH4分离中展现了优异的性能（分离因子约30），而高度(200)取向的MIL-140A膜在混合H2/CO2分离中展现了显著的性能（分离因子高达540）。这些结果证明了MIL-140A膜在多场景CO2分离应用中的前景。

详细机理

文章提出了一种新颖的方法，通过在金属有机框架（MOF）表面构建超通过调控二次生长温度，实现了MIL-140A膜的取向和形态控制。高温下，通过van der Drift的进化选择机制，形成了优先取向(h0h)的MIL-140A膜，这些膜暴露了用于选择性CO2捕获的三角形孔口。在温和温度下，形成了高度(200)取向的MIL-140A膜，这些膜的堆叠狭缝状孔口导致了CO2排斥性传输。通过实验气体渗透性能和分子动力学模拟，进一步证实了这些膜的相反CO2选择性和CO2排斥性渗透能力。

参考文献

Dual Identity Validation of a Robust MOF Membrane for Efficient Multiscenario CO2 Separation
期刊名称: Advanced Functional Materials
发表日期: 2024年
DOI号: 10.1002/adfm.202404643

本文原文来自澎湃号