科学家成功制备出“薄于蝉翼”的分子筛膜

http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-12-17

通讯员李砚硕记者刘万生 12月12日，由中国科学院大连化学物理研究所杨维慎研究员和李砚硕研究员带领的研究团队，首次成功制备出一种由1纳米厚的纳米片构成的分子筛膜，其厚度仅为蝉翼厚度的千分之一，远远“薄于蝉翼”。常规分子筛膜的厚度则为蝉翼厚度的十倍以上。该纳米片不仅极薄，而且具有如“筛眼”般高度规整的孔道，可以精确筛分尺寸差异仅为0.04 纳米的氢气和二氧化碳分子，从而将后者有效截留。该纳米片分子筛膜的渗透通量和分离选择性远远超过了文献报道的所有氢气/二氧化碳分离膜，是文献显示唯一能达到二氧化碳燃烧前捕获应用要求的膜材料。该项研究成果12月12日发表在《科学》（Science）（10.1126/science.1254227）上。

氢气和二氧化碳的分离是清洁能源和二氧化碳捕获中的关键步骤，利用选择性膜材料，实现二者分子水平的分离，是工业界长期以来的梦想。对于常规膜材料，均存在渗透通量和分离选择性之间此消彼长的关系。因此，如何同时提高分离膜的渗透通量和分离选择性是学术界的重要挑战。

《膜科学》杂志副主编，美国著名无机膜科学家林跃生（Y. Lin）教授评价该项研究成果是膜科学领域的一个重要进展（A major advance in membrane science）；德国著名分子筛膜和膜催化科学家卡罗(J. Caro)教授评价该研究是分子筛膜领域的一个开创性工作（A ground-breaking work）;日本膜协会主席，著名微孔膜科学家都留（T. Tsuru）教授评价该项研究发展了新一代（A new generation）分子筛膜。

提高分离膜的渗透通量，关键是如何有效降低膜厚；提高分离膜的选择性，关键是如何在膜内构筑分子尺度的孔道。中国科学院大连化学物理研究所研究团队将一种取得广泛研究的沸石咪唑酯骨架（Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs），ZIF-7 纳米粒子，(Zn(bim)2, bim=benzimidazolate)进行水热处理，得到具有优异稳定性的二维层状骨架母体材料（Zn2(bim)4），以甲醇与正丙醇为分散剂，结合超低功率湿法球磨与超声分散技术，在国际上首次成功开层获得了单分子层厚度（～1nm）的金属有机骨架（Metal Organic Frameworks, MOFs）纳米片。在此基础上，通过热组装方法得到超薄分子筛膜。该纳米片分子筛膜的氢气/二氧化碳分离系数达到200以上，氢气透量达到2000 GPUs以上（1CPU=1 × 10-6 cm3/cm2•sec•cmHg，STP），远高于迄今报道的有机和无机膜的氢气/二氧化碳分离性能。该纳米片分子筛膜在不同升降温条件（室温至200℃）和水热条件（150℃）下进行了长达400小时的稳定性测试，膜性能保持不变。

近年来，二维层状多孔材料正在成为低维材料和纳米孔材料领域的研究热点。二维MOFs材料丰富的孔口结构和可调变的表面性质为MOFs纳米片分子筛膜的定向设计合成提供了重要平台。该项工作首次展示了二维层状MOFs材料在超薄分子筛膜领域的重要应用。制备得到的纳米片分子筛膜有望在整合煤气化联合循环（IGCC）系统中发挥实际作用，实现二氧化碳的燃烧前捕获。

该项研究得到了国家自然科学基金和中国科学院重点部署项目资助。

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