大連化物所膜分離研究取得重大突破

　　12月12日，中國科學院大連化學物理研究所楊維慎研究員和李硯碩研究員帶領的研究團隊在美國《科學》雜志發表了題為Metal-organic framework nanosheets as building blocks for molecular sieve membranes (Science 2014 (346) 1356-1359) 的研究成果。該團隊在國際上首次成功地將二維金屬有機骨架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）開層獲得了單分子層厚度的分子篩納米片。在此基礎上，通過熱組裝方法得到厚度<5nm的超薄分子篩膜。該分子篩膜可以快速而精確地篩分尺寸差異僅為0.04 納米的氫氣和二氧化碳分子，從而將后者有效截留。該納米片分子篩膜的滲透通量和分離選擇性遠遠超過了文獻報道的氫氣/二氧化碳分離膜，是文獻顯示唯一能達到二氧化碳燃燒前捕獲應用要求的膜材料。

　　《膜科學》雜志副主編，美國著名無機膜科學家Y. Lin教授評價該項研究成果是膜科學領域的一個重要進展（A major advance in membrane science）；德國著名分子篩膜和膜催化科學家J. Caro教授評價該研究是分子篩膜領域的一個開創性工作（A ground-breaking work）；日本膜協會主席，著名微孔膜科學家T. Tsuru教授評價該項研究發展了新一代（A new generation）分子篩膜。

　　提高分離膜的滲透通量，關鍵是如何有效降低膜厚；提高分離膜的選擇性，關鍵是如何在膜內構筑分子尺度的孔道。為此，分子篩納米片是最為理想的高性能分離膜的構筑基元。如何獲得大面積且高結晶度的分子篩納米片，以及如何有效控制納米片在分離膜中的組裝形態，是納米片分子篩膜概念得以實現的關鍵。中國科學院大連化學物理研究所研究團隊將一種取得廣泛研究的沸石咪唑酯骨架（Zeolitic Imidazolate Frameworks，ZIFs），ZIF-7 納米粒子，(Zn(bim)2, bim=benzimidazolate)進行水熱處理，得到具有優異穩定性的二維層狀骨架母體材料（Zn2(bim)4），以甲醇與正丙醇為分散劑，結合超低功率濕法球磨與超聲分散技術，在國際上首次成功開層獲得了單分子層厚度（～1nm）的MOFs納米片。在此基礎上，通過熱組裝方法得到厚度 < 5nm的超薄分子篩膜。針對50:50的氫氣/二氧化碳原料氣，該納米片分子篩膜的氫氣/二氧化碳分離系數達到200以上，H2透量達到2000 GPUs（Gas Permeation units, 1CPU=1 × 10-6 cm3/cm2·sec·cmHg，STP）以上，遠高于迄今報道的有機和無機膜的氫氣/二氧化碳分離性能。該納米片分子篩膜在不同升降溫條件（室溫至200 oC）和水熱條件（150 oC，4 mol %水蒸氣）下進行了長達400小時的穩定性測試，膜性能保持不變。有望在整合煤氣化聯合循環（IGCC）系統中發揮實際作用，實現二氧化碳的燃燒前捕獲。

　　近年來，二維層狀多孔材料正在成為低維材料和納米孔材料領域的研究熱點。該項工作首次展示了二維層狀MOFs材料在超薄分子篩膜領域的重要應用。與此同時，二維MOFs材料豐富的孔口結構和可調變的表面性質為MOFs納米片分子篩膜的定向設計合成提供了重要平臺。

　　該項研究得到了國家自然科學基金和中科院重大突破擇優支持的資助。