高性能超薄二氧化碳分離膜制備成功

近日，從中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究院傳出消息，該所無(wú)機(jī)膜與催化新材料研究組的楊維慎研究員和彭媛副研究員團(tuán)隊(duì)在純相共價(jià)有機(jī)框架(COFs)氣體分離膜研究方面取得新進(jìn)展，制備出高性能超薄二氧化碳分離膜，分離性能達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用需求。

據(jù)介紹，他們制備的二氧化碳分離膜以COFs納米片為膜構(gòu)筑基元，誘發(fā)錯(cuò)排縮孔效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳/氫氣混合氣中二氧化碳的優(yōu)先滲透分離。也就是說(shuō)，二維COFs骨架對(duì)二氧化碳選擇性吸附特性與納米片錯(cuò)排縮孔效應(yīng)協(xié)同作用，可以誘發(fā)氣體在膜內(nèi)表面擴(kuò)散機(jī)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二氧化碳的高效分離。實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用COFs材料時(shí)，在298 K下，二氧化碳/氫氣分離系數(shù)大于20，二氧化碳滲透率大于300 GPUs，分離性能達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用需求。

由于二維COFs孔徑大于0.8 nm，對(duì)于動(dòng)力學(xué)直徑為0.3 nm～0.4 nm的小分子氣體例如氫氣(0.29 nm)、二氧化碳(0.33 nm)等難以實(shí)現(xiàn)精確分離，構(gòu)建具有高效二氧化碳分離性能的純相二維COFs膜面臨極大挑戰(zhàn)。“但COFs材料具有永久性一維直通孔道，豐富的表面官能團(tuán)以及優(yōu)異穩(wěn)定性，在二氧化碳分離領(lǐng)域仍然具有巨大的應(yīng)用潛力。

基于此，該團(tuán)隊(duì)在前期研究基礎(chǔ)上，以3種不同表面化學(xué)和孔徑的層狀COFs材料為研究對(duì)象，發(fā)展出一種弱酸性溶劑剝層，并輔以溫和機(jī)械外力的方法，將其剝離為厚度2 nm、尺寸達(dá)微米級(jí)的系列超薄納米片層，通過(guò)精確控制納米片錯(cuò)排組裝，構(gòu)建了孔徑尺寸適合二氧化碳分離的純相COFs膜。

“動(dòng)態(tài)三原子”加氫催化劑問(wèn)世

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)路軍嶺教授與李微雪教授、韋世強(qiáng)教授等課題組合作，利用金屬載體相互作用和原子限域，首次設(shè)計(jì)出一種高密度、抗積碳鎳銅“動(dòng)態(tài)三原子”新型非貴金屬催化劑，并在富烯烴氣氛中乙炔和1,3-丁二烯選擇性加氫等應(yīng)用方面取得突破性進(jìn)展。

低碳烯烴是石油化工中的核心平臺(tái)小分子。石腦油裂解制備的低碳烯烴，通常含有微量乙炔和1,3-丁二烯分子，嚴(yán)重影響其下游應(yīng)用。選擇性加氫是去除烯烴中微量乙炔(或1,3-丁二烯)的一項(xiàng)關(guān)鍵純化技術(shù)，其工業(yè)催化劑通常是鈀基貴金屬催化劑。開(kāi)發(fā)出高效非貴金屬催化劑，同時(shí)避免催化劑燒結(jié)和積碳，是一項(xiàng)重要科學(xué)難題。

路軍嶺團(tuán)隊(duì)通過(guò)協(xié)同金屬—載體相互作用和原子限域，在石墨型氮化碳載體上制備出一種高密度鎳銅三原子催化劑。在富乙烯氛圍的乙炔(或1,3-丁二烯)選擇性加氫反應(yīng)中，該催化劑在活性、選擇性、穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，優(yōu)于鎳單原子催化劑。測(cè)試表明，該催化劑在反應(yīng)過(guò)程中基本沒(méi)有積碳的生成。

多種表征和理論計(jì)算表明，活性金屬鎳原子通過(guò)羥基被限域在兩個(gè)銅原子位點(diǎn)中間，形成一種線式結(jié)構(gòu)，鎳原子位點(diǎn)在加氫反應(yīng)中可以發(fā)生動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化。這種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化，不僅可以改進(jìn)催化劑對(duì)反應(yīng)分子的吸附從而提高催化活性，而且可以維持高穩(wěn)定性，而單鎳位點(diǎn)則使得該催化劑表現(xiàn)出高選擇性和高抗積碳性能。