在碳達峰、碳中和的國家戰(zhàn)略目標背景下，發(fā)展低能耗、環(huán)境友好的CO2選擇性分離膜具有重要意義和實際應用價值。高性能二維分離膜是該研究領域前沿性研究議題。二維共價有機框架(covalent organic frameworks，COFs)具有永久性一維直通孔道，豐富的表面官能團以及優(yōu)異穩(wěn)定性，在CO2分離領域具有巨大應用潛力。然而，目前二維COFs孔徑大于0.8nm，對于動力學直徑0.3~0.4 nm范圍的小分子氣體如H2(0.29 nm)、CO2(0.33 nm)等難以實現精確分離，構建具有高效CO2分離性能的純相二維COFs膜面臨較大挑戰(zhàn)。
該研究中，科研人員在前期研究(Science，2014;Angew. Chem. Int. Ed.，2017)基礎上，以三種不同表面化學和孔徑的層狀COFs材料為研究對象，發(fā)展出一種弱酸性溶劑剝層，并輔以溫和機械外力的方法，將其剝離為厚度~2nm、尺寸達微米級的系列超薄納米片層，通過精確控制納米片錯排組裝，構建了孔徑尺寸適合CO2分離的純相COFs膜。COFs骨架對CO2選擇性吸附特性與納米片錯排縮孔效應協同作用誘發(fā)氣體在膜內表面擴散機制，首次實現了CO2/H2混合氣中大分子CO2優(yōu)先滲透分離，分離性能達到工業(yè)應用需求。該研究為開發(fā)新型COFs氣體分離膜材料提供了新思路。
相關研究成果以Single-Phase Covalent Organic Framework Staggered Stacking Nanosheet Membrane for CO2-Selective Separation為題，發(fā)表在《德國應用化學》上。研究工作得到國家自然科學基金、大連化物所創(chuàng)新基金、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、遼寧省“興遼英才計劃”等的資助。
左：COF膜孔道工程-納米片錯排縮孔策略示意圖；右：不同膜CO2/H2分離性能對比圖
