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化工与化学学院邵路教授团队在碳捕集膜研究领域取得重要突破

2022年01月21日 新闻网 浏览次数:2939

哈工大全媒体(邵路 文/图)近日,我校化工与化学学院、城市水资源与水环境国家重点实验室成员邵路教授带领团队提出新方法,合成制备了含有超高含量金属有机骨架(MOF)的高效碳捕集分离膜。相关论文“面向可持续碳捕集的超高含量金属有机骨架混合基质膜的生物共生系统启发合成研究”发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。邵路教授团队的成果是该期刊上发表的首篇关于碳捕集分离膜的研究,也是我校作为唯一通讯单位在《美国国家科学院院刊》上发表的首篇研究论文。邵路教授为该论文唯一通讯作者,论文第一作者为化工与化学学院博士生赫羴姗。

近年来,我国提出碳达峰、碳中和的气候目标。高效的碳捕获技术是减少碳排放和二氧化碳进一步催化转化的前提和基础,是实现“双碳”目标的关键技术。结合多种材料特性的混合基质膜成为碳捕集膜的研究前沿和热点。然而,高性能填料(如金属有机骨架)的含量受限、分散性差和聚合物-填料间的界面相容性差等问题会导致界面缺陷和内部空隙,从而影响膜碳捕集性能。如何制备填料含量高、且具有良好的界面相容性和分散性的含金属有机骨架混合基质膜是国际上亟待突破的瓶颈问题。

邵路团队受自然界中根瘤菌诱导根瘤的共生过程的启发,提出了全新的策略来构建具有超高金属有机骨架含量的混合基质膜。在氯仿/水混合溶剂反应条件下,合成的金属有机骨架晶体尺寸更小,并能均匀分散在高渗透性的自具微孔聚合物基体中,金属有机骨架的负载重量含量高达67.2 %,自具微孔聚合物的氰基与金属有机骨架的亚氨基基团间特有的相互作用,保证了新型混合基质膜优异的界面相容性,避免了超高含量金属有机骨架的团聚和膜中缺陷的产生。研究表明,超高含量金属有机骨架的嵌入能显著增强混合基质膜的二氧化碳溶解系数,赋予了膜优异的选择性,同时可提高自具微孔聚合物膜的抗物理老化和塑化能力,增强膜在实际应用过程中的稳定性。该研究提出的由生物共生系统启发的新合成方法,突破了长期以来如何使两类膜材料(比如自具微孔聚合物和金属有机骨架)“完美结合”的瓶颈问题,能充分发挥混合基质膜中材料传质分离的特性,极大推动碳捕集分离膜的应用进程。

原文链接:https://www.pnas.org/content/pnas/119/1/e2114964119.full.pdf

在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表

生物共生系统启发的超高含量金属有机骨架混合基质膜合成示意图


编辑:梁英爽