向生物共生現象學(xué)習 造出高效分離膜助力碳捕集

　　◎本報記者 李麗云

　　67.2%

　　該方法消除了傳統合成后步驟，顯著(zhù)增強了MOF納米粒子的分散能力，以及界面相容性，并且在合成的混合基質(zhì)膜中，ZIF-8的質(zhì)量百分數達到了67.2%，而通常MOF的添加量極限的質(zhì)量百分數在20%左右。

　　氣體，作為“看不見(jiàn)摸不著(zhù)”的存在，卻在很大程度上影響著(zhù)人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境與氣候。科學(xué)家們致力于對氣體資源進(jìn)行研究和利用，而這首先需要對氣體進(jìn)行分離和純化。膜法分離就是深入研究氣體的有效手段之一。那能不能找到一種成本較低、效率較高且可持續使用的環(huán)保膜法分離技術(shù)呢？

　　科技日報記者2月26日從哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲悉，近日，中國化工學(xué)會(huì )分子辨識分離工程專(zhuān)委會(huì )委員、哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授邵路帶領(lǐng)課題組在這一領(lǐng)域有了新突破。團隊提出一種簡(jiǎn)單易操作的新方法合成制備了可實(shí)現高效碳捕集的氣體分離膜。相關(guān)研究成果以《面向可持續碳捕集的超高M(jìn)OF含量混合基質(zhì)膜的生物共生系統啟發(fā)合成》為題，發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》上。邵路為唯一通訊作者，論文第一作者為哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院博士生赫羴姍。

　　實(shí)現“雙碳”目標的關(guān)鍵技術(shù)

　　二氧化碳是主要的溫室氣體。最新調查研究顯示，全球二氧化碳濃度每年都在超標排放，到本世紀末大氣中的二氧化碳含量預計將達到750ppm(百萬(wàn)分比濃度)。

　　二氧化碳濃度的變化，將導致地球氣溫上升，進(jìn)而帶來(lái)一系列毀滅性災難(如海平面上升，暴雨、暴雪等降水變化)。“這就和人類(lèi)生病發(fā)燒一樣可怕。”邵路說(shuō)，“根據政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )(IPCC)第六次評估報告，全球溫度較工業(yè)化之前上升了1.5℃，已經(jīng)瀕臨地球能夠承受的極限了。”

　　2020年9月22日，在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì )上，我國提出“雙碳”戰略，即中國力爭2030年前實(shí)現碳達峰，2060年前實(shí)現碳中和，這是我國作為世界大國對全世界人民做出的莊嚴承諾。

　　“雙碳”目標的難點(diǎn)在于，人類(lèi)生產(chǎn)生活都會(huì )產(chǎn)生二氧化碳，如何在保障人民生活質(zhì)量和國家經(jīng)濟發(fā)展的同時(shí)，實(shí)現“碳的零排放”呢？現階段最好的方法是將產(chǎn)生的二氧化碳利用起來(lái)，“變廢為寶”。

　　碳捕集技術(shù)就是將二氧化碳“抓起來(lái)”“提出來(lái)”的技術(shù)。高效的碳捕獲技術(shù)是減少碳排放和二氧化碳進(jìn)一步催化轉化的前提和基礎，是實(shí)現“雙碳”目標的關(guān)鍵技術(shù)，膜法分離就是其中之一。

　　邵路向科技日報記者介紹，膜法分離氣體是指利用不同性質(zhì)的氣體在驅動(dòng)力的作用下透過(guò)膜的速率不同，將氣體進(jìn)行有效的分離、濃縮和富集，其優(yōu)勢在于成本相對較低，分離過(guò)程中無(wú)相變，可連續操作，能源效率較高，無(wú)二次污染。

　　“薄薄的一片膜，就像篩子一樣，把氣體分子分開(kāi)來(lái)，很神奇吧！”邵路形象地比喻自己的研究?jì)热荨?/p>

　　受生物共生啟發(fā)構筑高效分離膜

　　氣體滲透通量和選擇性是衡量膜氣體分離性能的兩個(gè)重要參數。氣體滲透通量代表了氣體透過(guò)的速率，要求快；選擇性代表著(zhù)氣體分離效率，要求高。然而，快和高之間往往此消彼長(cháng)，

　　也就是說(shuō)，高滲透率通常伴隨著(zhù)低選擇性，反之亦然。同時(shí)實(shí)現高速和高效，是設計膜材料的初衷，高性能的膜材料是實(shí)現高效氣體分離的前提和基礎。

　　以聚合物材料為基質(zhì)，將納米填料分散其中制備的混合基質(zhì)膜，是具有實(shí)際應用前景的分離膜之一。具有超高通氣性的自具微孔聚合物(PIM-1，polymers of intrinsic microporosity-1)和具有可調控孔徑的金屬有機框架(MOF)納米材料組成的混合基質(zhì)膜，是該領(lǐng)域的“新寵”，而充分發(fā)揮二者結構優(yōu)勢的前提在于解決納米粒子團聚和界面相容性差的問(wèn)題。

　　邵路說(shuō)：“我當年在新加坡獲得博士學(xué)位后回國，就是想用自己學(xué)到的膜技術(shù)為祖國服務(wù)。我們團隊近20年積累了豐富的氣體分離膜研究經(jīng)驗，之前也成功制備過(guò)很多基于其他聚合物膜的混合基質(zhì)膜，但對于PIM-1材料中MOF的原位加入或者生成卻一直未能成功，究其原因是PIM-1的溶劑通常為有機溶劑，而MOF在有機溶劑中的常溫合成鮮有報道。但PIM-1本身具有很好的氣體分離性能，在此基礎上進(jìn)行進(jìn)一步研究，一定可以制備出更高性能的分離膜。”

　　邵路3年前把這個(gè)問(wèn)題交給其指導的博士生赫羴姍，讓她思考如何能解決PIM中高含量MOF填充的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)系列探索研究，受到根瘤菌與豆類(lèi)作物根部共生形成根瘤的自然界共生現象啟發(fā)，邵路團隊終于成功開(kāi)發(fā)出沸石咪唑骨架ZIF-8(ZIF，Zeolitic Imidazolate Frameworks)在PIM-1聚合物中共生生長(cháng)的方法，避免了ZIF-8預先合成、干燥、再重新分散的步驟，而是利用氯仿、水的混合溶劑體系，一步即可把ZIF-8“嵌入”到PIM-1基質(zhì)中，借此實(shí)現多孔納米粒子的高添加量，并保證了納米粒子和聚合物之間的良好界面相容性。

　　該方法消除了傳統合成后步驟，顯著(zhù)增強了MOF納米粒子的分散能力，以及界面相容性，并且在合成的混合基質(zhì)膜中，ZIF-8的質(zhì)量百分數達到了67.2%，而通常MOF的添加量極限的質(zhì)量百分數在20%左右。如此高的MOF含量也導致了分離機理的改變，利用實(shí)驗技術(shù)和密度泛函理論模擬手段，證明該方法提高了二氧化碳的溶解系數，這與其他工作中報道的金屬有機框架促進(jìn)氣體擴散的方法有著(zhù)顯著(zhù)不同，也是氣體通量與選擇性得以同時(shí)提高的奧秘。

　　提供研究通用“工具箱”

　　邵路表示，該方法同時(shí)提高了二氧化碳的滲透性和選擇性，即使在長(cháng)期測試中也保持優(yōu)越的碳捕獲性能。在超高M(jìn)OF負載量的情況下，機械強度也可保持不變。這種由共生現象啟發(fā)的全新策略，或可為下一代混合基質(zhì)膜研究指明方向，可充分發(fā)揮金屬有機框架和聚合物的分離性能優(yōu)勢。

　　更重要的是，這種共生的方法具有很強的通用性，適用于不同納米粒子和聚合物的組合。這種方法更像是提供了一個(gè)通用的工具箱，材料組合的變換，可能會(huì )呈現更驚人的性能。“我們提出的這種簡(jiǎn)單又普適的方法，就像數學(xué)中的公式，接下來(lái)就是代入不同的數去運算的工作了，通過(guò)不同材料組合的嘗試，還有新材料的開(kāi)發(fā)和發(fā)展，很可能構建出下一代用于可持續氣體分離的高性能混合基質(zhì)膜，也打開(kāi)了基于金屬有機框架的復合材料的制造新思路。”邵路表示。

　　“膜法氣體分離是我自讀博士以來(lái)一直研究的科研課題。”邵路表示，該團隊研究的新型氣體分離膜實(shí)現了超高的氣體分離性能，并且這種方法簡(jiǎn)單易操作，具有巨大的應用潛力。希望能盡快推進(jìn)“膜”法“上天”，為“雙碳”目標的達成提供先進(jìn)的技術(shù)支持。