隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的制定，大力推進(jìn)綠色分離成為研究重點(diǎn)。氣體膜分離作為一種高效分離技術(shù)被廣泛研究，其中，膜材料是膜分離的基礎(chǔ)和核心。一般而言，滲透性越好分離效率越高。但如果提高膜的滲透性，往往雜質(zhì)也會(huì)滲透進(jìn)來(lái);而如果提高膜對(duì)雜質(zhì)的攔截性，滲透性就會(huì)降低，分離效率也會(huì)隨之下降。如何兼顧滲透性和攔截性，提高效率、降低能耗一直是行業(yè)難題。
近日，中國(guó)石油大學(xué)(華東)孫道峰教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合晶態(tài)多孔材料與高分子/氧化石墨烯材料的優(yōu)勢(shì)，采用氧化石墨烯輔助成膜技術(shù)、界面聚合技術(shù)以及溶解加工策略構(gòu)筑了“剛?cè)岵?jì)”的晶態(tài)多孔復(fù)合膜，實(shí)現(xiàn)了氫氣(H2)和二氧化碳(CO2)在常溫常壓下的高效分離，相比低溫精餾等傳統(tǒng)氣體分離技術(shù)，大幅降低分離能耗。同時(shí)該系列膜材料還可以克服經(jīng)典高分子膜的滲透系數(shù)—選擇性“此消彼長(zhǎng)”問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高效率氫氣純化，并可以在200℃(含4mol%水蒸氣)的環(huán)境中保持良好的分離穩(wěn)定性，且相較于商品化分離膜具有競(jìng)爭(zhēng)性的成本，可謂是既“經(jīng)濟(jì)”又“高效”，為氫氣純化的瓶頸問(wèn)題提供了“用得上、用得好、用得起”的解決方案，為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入了“膜”力。
“我們充分發(fā)揮晶態(tài)多孔材料的晶體工程設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)調(diào)控金屬—有機(jī)框架(MOF)的配體、金屬節(jié)點(diǎn)和客體分子來(lái)實(shí)現(xiàn)分子篩分。”團(tuán)隊(duì)骨干康子曦教授表示，就跟日常見(jiàn)到工地紗網(wǎng)過(guò)濾沙石一樣，大顆粒的石頭會(huì)留在紗網(wǎng)上，小顆粒的沙子則會(huì)漏至紗網(wǎng)下面達(dá)到分離一樣，晶態(tài)多孔復(fù)合膜也制作了一張?zhí)貏e的篩網(wǎng)，在微觀上可以調(diào)整網(wǎng)洞孔徑達(dá)到0.30 nm，介于H2(0.28nm)和CO2(0.33nm)分子動(dòng)力學(xué)直徑之間，因此H2可以透過(guò)膜而CO2卻不能，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)篩分;同時(shí)達(dá)到高H2滲透率和高CO2攔截性，克服高分子膜的“此消彼長(zhǎng)”局限。
“我們最新開(kāi)發(fā)的晶態(tài)多孔復(fù)合膜最高的H2/CO2的分離選擇性達(dá)到100以上，即每透過(guò)100個(gè)H2分子僅有1個(gè)CO2分子透過(guò)膜層，而商業(yè)高分子膜的分離選擇性一般在20以內(nèi)，且滲透率遠(yuǎn)低于我們開(kāi)發(fā)的晶態(tài)多孔復(fù)合膜。”團(tuán)隊(duì)骨干范衛(wèi)東副教授補(bǔ)充介紹說(shuō)，該晶態(tài)多孔復(fù)合膜是理想的H2脫CO2材料，但是MOF晶體在水熱體系中由于金屬中心—有機(jī)配體之間配位鍵的斷裂導(dǎo)致框架解體，影響了其在實(shí)際氫氣分離條件下的穩(wěn)定性。
鑒于此，孫道峰教授團(tuán)隊(duì)提出強(qiáng)化鍵連作用提升晶態(tài)多孔材料水熱穩(wěn)定性策略，利用晶體各向異性的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)控晶面取向，使表面能更低、配位鍵更少的穩(wěn)定晶面暴露在外，從而提升MOF材料在水熱體系中的穩(wěn)定性，氫氣分離選擇性提升了50%以上。
如何實(shí)現(xiàn)晶態(tài)多孔分離膜的擴(kuò)大化制備是孫道峰教授等科研人員普遍遇到的從實(shí)驗(yàn)室走向工廠的“最后一公里”難題。晶態(tài)多孔材料作為晶體本身是脆的，不易大面積加工制備。
研究團(tuán)隊(duì)及時(shí)調(diào)整思路，嘗試將晶態(tài)多孔材料與其它材料復(fù)合，制備柔性復(fù)合膜用于氫氣的高效連續(xù)分離。通過(guò)選取具有二維結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯(GO)作為膜基質(zhì)，創(chuàng)新性的利用GO的二維限域作用，在其層間將前驅(qū)物(氧化物)原位轉(zhuǎn)化為晶態(tài)多孔材料(分子篩和MOF)，構(gòu)筑了晶態(tài)多孔材料/GO柔性復(fù)合膜，賦予了復(fù)合膜相較于其它晶態(tài)多孔膜不常具備的柔性，易于加工制成卷式或管式等高效率的膜組件，解決了晶態(tài)多孔分離膜的柔性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了“1+1>2”的高效純化效果。
日前，晶態(tài)多孔復(fù)合膜的研究成果得到社會(huì)上不少企業(yè)的關(guān)注，孫道峰教授團(tuán)隊(duì)接到了中國(guó)膜工業(yè)協(xié)會(huì)常務(wù)理事單位天維膜技術(shù)有限公司拋來(lái)的“橄欖枝”，他們依托山東省重大科技創(chuàng)新工程，進(jìn)行相關(guān)膜材料的擴(kuò)大化制備和產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)平方分米和平方米尺寸的晶態(tài)多孔材料/GO柔性復(fù)合膜的加工。
依托山東省重大科技創(chuàng)新工程，相關(guān)技術(shù)已和山東天維膜技術(shù)有限公司合作進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)。中國(guó)膜工業(yè)協(xié)會(huì)常務(wù)理事單位、山東天維膜技術(shù)有限公司首席專家劉兆明對(duì)該項(xiàng)技術(shù)給予了高度評(píng)價(jià)：“該項(xiàng)技術(shù)使氫氣純化更加高效、節(jié)能，對(duì)推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，構(gòu)建清潔低碳、建立安全可持續(xù)發(fā)展的能源體系，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。”
“希望這項(xiàng)晶態(tài)多孔復(fù)合膜技術(shù)能夠得到快速推廣，助推解決氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，真正為能源結(jié)構(gòu)重整和環(huán)境保護(hù)注入‘膜’力。”孫道峰教授說(shuō)。
閃電新聞?dòng)浾?劉繼順 通訊員 楊安 馬曉晨 報(bào)道
作者：劉繼順 楊安 馬曉晨
評(píng)論