我校物质学院李涛课题组在混合机制气体分离膜领域取得突破性进展。近日，该研究成果以Enhancing the Gas Separation Selectivity of Mixed-Matrix Membranes Using a Dual-Interfacial Engineering Approach为题，于国际知名学术期刊《美国化学会志》 (Journal of the American Chemical Society)上发表。
气体分离是一个基本的工业过程，占世界能源消耗的很大一部分。但是，现代工业中广泛采用的精馏分离法能耗高，能源利用率很低。仅乙烯/乙烷这一气体对的分离就消耗了世界能源总量的0.3％。在新兴的分离技术中，膜分离是一种非热驱动的分离技术，理论上能极大降低分离过程的能耗。因此膜分离技术被广泛认为是未来最具前景的新型分离技术之一。而实现这一技术的关键在于开发具有更高渗透性和选择性的新型膜材料。由于目前尚没有可以满足工业需求的膜材料，这一材料的发展对于膜分离技术的实现尤为重要。
近些年来，研究人员发现向传统的高分子气体分离膜基质中添加金属有机框架材料(metal-organic framework, MOF)形成混合基质膜(mixed matrix membrane, MMM)能有效地提高膜的气体分离性能。这是由于MOF材料的高孔隙率以及均一且高度可设计的孔道结构能在保障气体小分子快速透过的前提下对不同气体进行精准的尺寸筛分(sieving)。然而，现实证明两者简单的混合在绝大部分情况下无法达到理想的气体分离性能。这是由于MOF和高分子基质间的界面结合力差导致膜内形成缺陷进而对气体在膜中的传质行为产生负面影响。这一难题使得MMM的性能难以预测，极大地制约了高性能MMM的理性设计和开发，阻碍了其工业化的进程。
为应对这一挑战，李涛课题组开发出了一种具有高度普适性的“双界面修饰”法来增强MOF和高分子基质间的界面相容性。此方法首次利用微波辅助合成的方法在具有良好分离性能的MOF颗粒外部均匀的生长一层20nm厚的多晶MOF-74壳层。这一过程巧妙地将原本的MOF/高分子界面问题分解成了两个独立的界面问题来分别解决：MOF/MOF-74界面和MOF-74/高分子界面。由于MOF内核和MOF-74壳层间的界面由众多金属/配体配位键连接，因此不易产生缺陷。同时，MOF-74多晶壳层粗糙的特点以及MOF-74所特有的高密度开放金属位点（open metal site, OMS）使其与高分子间的界面接触面积和作用力均大大增加，从而极大地提升了MOF-74/高分子的界面结合力。我们利用Ni-MOF-74修饰的MOF-801颗粒制备而成的MMM体现出了高达5.9 : 1的乙烯/乙烷分离选择性。该选择性与纯聚酰亚胺膜相比提高了76％，成为迄今为止报道的对乙烯/乙烷分离选择性最高的膜材料之一。
这种双界面设计方法为增强混合基质膜界面相容性提供了一种可推广的解决方案，将极大地推动高性能气体分离膜材料的理性设计与合成。
该研究全部在上科大完成。李涛课题组2018级硕博连读研究生吴春辉为第一作者，李涛教授为通讯作者，上科大为唯一完成单位。该项目还得到了国家自然科学基金青年科学基金、面上基金以及上科大启动基金等项目支持。
论文链接: https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c07378
图|“双界面修饰”法示意图（左）；C2H4/ C2H6的分离膜渗透性与选择性关系图。
李涛，物质学院助理教授
吴春辉，物质学院2016级硕博连读研究生
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