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)的研究團隊，首次成功制備出一種由1納米厚的納米片構成的分子篩膜，其厚度僅為蟬翼厚度的千分之一，遠遠“薄于蟬翼”。常規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遠超過(guò)了文獻報道的所有氫氣/二氧化碳分離膜，是文獻顯示唯一能達到二氧化碳燃燒前捕獲應用要求的膜材料。該項研究成果12月12日發(fā)表在《科學(xué)》(Science)(10.1126/science.1254227)上。

　　近年來(lái)，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材料豐富的孔口結構和可調變的表面性質(zhì)為MOFs納米片分子篩膜的定向設計合成提供了重要平臺。該項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)系統中發(fā)揮實(shí)際作用，實(shí)現二氧化碳的燃燒前捕獲。該項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)現二者分子水平的分離，是工業(yè)界長(cháng)期以來(lái)的夢(mèng)想。對于常規膜材料，均存在滲透通量和分離選擇性之間此消彼長(cháng)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。

　　《膜科學(xué)》雜志副主編，美國著(zhù)名無(wú)機膜科學(xué)家林躍生(Y. Lin)教授評價(jià)該項研究成果是膜科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要進(jìn)展(A major advance in membrane science);德國著(zhù)名分子篩膜和膜催化科學(xué)家卡羅(J. Caro)教授評價(jià)該研究是分子篩膜領(lǐng)域的一個(gè)開(kāi)創(chuàng )性工作(A ground-breaking work);日本膜協(xié)會(huì )主席，著(zhù)名微孔膜科學(xué)家都留(T. Tsuru)教授評價(jià)該項研究發(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)鍵是如何在膜內構筑分子尺度的孔道。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究團隊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(kāi)層獲得了單分子層厚度(～1nm)的金屬有機骨架(Metal Organic Frameworks, MOFs)納米片。

　　在此基礎上，通過(guò)熱組裝方法得到超薄分子篩膜。該納米片分子篩膜的氫氣/二氧化碳分離系數達到200以上，氫氣透量達到2000 GPUs以上(1CPU=1 × 10-6 cm3/cm2•sec•cmHg，STP)，遠高于迄今報道的有機和無(wú)機膜的氫氣/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(cháng)達400小時(shí)的穩定性測試，膜性能保持不變。