作者:杨维慎等 来源:《德国应用化学》 发布时间:2021/7/23 14:07:07
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科学家制备出高选择性“零维”分子筛膜
 
 
用一把“筛子”将大小各异的物质分离开,通过这个思想,科学家研发出各式各样的分子筛膜。但“筛孔”的大小并不好控制,一张膜上的筛孔或大或小,让不少分子成为“漏网之鱼”,分子筛膜的选择性大大降低。
 
近日,中科院大连化学物理研究所研究员杨维慎、副研究员班宇杰团队提出以简单“零维分子”——2—甲基咪唑为基元构筑高选择性分子筛膜。这种“零维”概念的分子筛膜,实现了氢气(H2)/二氧化碳(CO2)分子的有效分离。该“零维”分子筛膜为获取高纯H2及捕获CO2提供了潜在实现路径。这项研究成果发表于《德国应用化学》。
 
分子筛膜的孔结构就像筛子一样,可实现分子传输分离,在高效、低能耗化工分离领域发挥着重要作用。目前,经典分子筛膜一般由沸石、金属—有机框架等纳米孔材料制备得到,主要以三维微米晶粒或二维纳米片为构筑基元。
 
班宇杰介绍,传统三维、二维基元间往往是“弱连接”,“貌合”却“神离”,导致基元之间“渐生嫌隙”,这就是所谓的晶间缺陷。缺陷多了,一些本该被截留的分子就会“趁虚而入”,膜的选择性大打折扣。
 
研发新型膜材料,提高分子筛膜的分离性能是团队的长期攻关目标。2018年,团队成员计划以2—甲基咪唑为配体来合成金属—有机框架材料(MOF),却意外发现,这种没有任何分离性质的简单有机分子,可以在一种活性基层上组装成膜,并展现出优异的分离效果。这令团队惊奇。
 
H2的分子直径0.289纳米,CO20.33纳米,“这意味着,实验过程中产生了一种孔道直径介于两者之间,具有强筛分效果的新型分离膜。”班宇杰说。
 
这种分子筛膜是什么,又是如何形成的?“复盘”如火如荼。历时两年,研究人员解开谜团,发现一般喜好吸附有机分子,表面留有配位不饱和金属离子的MOF,对有机化合物2—甲基咪唑抛出橄榄枝,诱导其蒸气分子在表面定向“着陆”和有序组装,从而形成高度取向的超分子阵列膜(SAM)。SAM的埃米级分子间隔约0.3纳米,能够精确筛分具有微小尺寸差异的H2/CO2分子。
 
据介绍,相比经典分子筛膜,SAM的提出有两点重要突破,其一,此次构筑基元是零维分子级别,凭借超分子相互作用有序聚集,可全面消除经典分子筛膜晶间缺陷;其二,经典分子筛膜借助材料本征纳米孔筛分不同物质,SAM则利用有效分子间隔实现分离。与目前性能最优的分子筛膜相比,H2/CO2分离选择性提高了一个数量级。
 
《德国应用化学》编辑称,“同行评议一致认为该研究所报道的结果很重要甚至非常重要”“仅有不到10%的论文可获得如此积极的评价”。
 
杨维慎表示,SAM的优异性能表明,以简单“零维分子”直接作为基元构筑新一代分子筛膜具有可行性,该理念变革了传统分子筛膜的构筑基元类型、微观堆砌模式和分离传输通道。下一步,团队将在控制基元间隔、调控组装过程、发展多种类型膜材料等方面努力,让零维分子筛膜尽快实现多元化分离。(来源:中国科学报 卜叶)
 
 
 
 
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