由科學(xué)院(CAS)大連化學(xué)物理研究所(DICP)的楊偉深教授和彭元博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)了一種制備單相CO2選擇性共價(jià)有機(jī)框架的新策略。COFs) 納米片膜具有高 CO 2 /H 2分離系數(shù)和高 CO 2滲透性。

該研究于 7 月 20 日發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上。

二維 (2D) COFs 是一類(lèi)具有永久一維孔的結(jié)晶有機(jī)骨架，有望在 CO 2捕獲領(lǐng)域用作高質(zhì)量的膜材料。然而，它們的固有孔徑 (>0.8 nm) 太大，無(wú)法為目前的氣體分離提供所需的分子篩能力。

研究人員將平均粒徑為 3 um、孔徑不同的三種 2D COFs，即 TpPa-1、TpPa-2 和 TpHz 剝離成 2 nm 厚的納米片。在去角質(zhì)處理后，完整的結(jié)晶度和功能性得以很好地保留。

他們發(fā)現(xiàn)，即使是具有相對(duì)最小固有孔徑的 TpHz，也無(wú)法以傳統(tǒng)的體膜形式表現(xiàn)出所需的氣體分離性能。以超薄納米片作為膜構(gòu)建單元，他們開(kāi)發(fā)了新型 COF 納米片膜，具有獨(dú)特的交錯(cuò)堆疊微結(jié)構(gòu)。

“就像漁網(wǎng)一樣，你可以不規(guī)則地堆起幾張網(wǎng)來(lái)捕捉小魚(yú)，”彭博士說(shuō)。

有趣的膜結(jié)構(gòu)與COF 骨架固有的CO 2選擇性吸附能力相結(jié)合，賦予COF 納米片膜基于表面擴(kuò)散機(jī)制從混合CO 2 /H 2氣體中優(yōu)先滲透大CO 2分子。

在這些膜中，具有中等孔徑的TpPa-2納米片膜表現(xiàn)出最高的CO 2 /H 2分離系數(shù)和CO 2滲透率，達(dá)到了具有商業(yè)可行性的合成氣分離目標(biāo)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，TpPa-2納米片膜表現(xiàn)出源自交錯(cuò)堆疊模式的適當(dāng)變窄的孔隙，這恰好允許兩列 CO 2分子通過(guò)，并最大限度地阻止 H2 通過(guò)。

該研究為氣體分離領(lǐng)域高性能COF膜的設(shè)計(jì)和制造提供了一種新的孔工程策略。

“充分利用這種孔隙工程策略，具有不同孔隙結(jié)構(gòu)的不同類(lèi)別的 COF可以實(shí)現(xiàn)特定的基于膜的氣體分離，”楊教授說(shuō)。