哈工大邵路教授团队《Nat. Commun.》: 多酚助力膜法碳捕集

2023-03-31 来源：高分子科技

近年来，全球碳排放迅速增加，使大气中的二氧化碳含量达到创纪录的水平，导致频繁的灾难性气候环境问题，严重威胁人类的生存发展。在这种严峻形势下，我国提出“碳达峰”和“碳中和”的庄严承诺！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”目标的重中之重的关键技术。

气体膜分离技术因其低成本且易操作的优势对碳捕集产业发展，缓解全球气候变化具有重要意义。其中，通过金属有机框架（MOF）和聚合物基质的结合获得的混合基质膜在气体分离方面中表现出极大潜力，但是聚合物和MOF之间实现理想的匹配始终是一个具有挑战性的课题，特别是针对新兴的高渗透性膜材料，如自具微孔聚合物(PIM)。

近日，哈尔滨工业大学化工与化学学院教授、城市水资源与水环境国家重点实验室成员邵路带领团队提出新方法合成了高效碳捕集分离膜，突破了传统分离膜渗透性与选择性博弈的难题。相关论文《多功能多酚焊接推动高效膜法碳捕集》（Boosting Membrane Carbon Capture via Multifaceted Polyphenol-mediated Soldering）发表在Nature子刊《自然通讯》（Nature Communications）上。哈尔滨工业大学为唯一通讯单位，邵路教授为唯一通讯作者，论文第一作者为哈工大化工与化学学院博士生朱斌。

邵路教授团队在该工作中率先提出了多功能分子焊接策略实现对聚合物链、金属有机框架结构以及两相界面的精准调控。多酚的特殊粘附性导致PIM-1链的僵化以及堆积密度的增加，提高筛分能力；中空的MOF结构减少了传质阻力，改善气体渗透性。不同的结构特点互相协同，打破了传统聚合物材料中渗透性-选择性此消彼长的trade-off效应限制。

图1：基于多酚分子焊接策略的新型MOF填料合成示意图

通过和其他MOF混合基质膜相比，基于分子焊接策略的PIM/HZIF膜表现出明显的反trade-off效应（如图2a所示），CO₂渗透系数上升36%，CO₂/N₂选择性性上升28%。并且结合著名的Robeson分离上限可以看出，PIM/HZIF展现出绝对优异的分离性能（图2b），CO₂渗透系数达到8268 Barrer, CO₂/N₂选择性可达25.1。

图2：(a) PIM/HZIF膜CO₂渗透系数和CO₂/N₂选择性增长率与文献报道值的对比；(b) PIM/HZIF膜和其他PIM/MOF混合基质膜的性能对比。

这种多酚分子焊接策略为新一代高性能混合基质膜提供了通用方法，有望同步实现碳捕集过程和能源回收，为污水处理系统深度碳减排过程中甲烷、氢气等气体的分离纯化提供了前瞻技术支撑。同时，该方法对于面向液相体系分离纯化的新型功能膜构筑也具有重要的指导意义。

邵路教授为英国皇家化学会会士、黑龙江省杰出青年科学基金获得者、中国化工学会分子辨识分离工程专委会委员，任领域内多个国际权威期刊编委（Journal of Membrane Science, Advanced Membranes）、顾问编委（ACS ES&T Engineering）等职务，连续入选“中国高被引学者”。

邵路教授团队长期从事膜材料与膜分离的研究，先后在碳捕集气膜、耐有机溶剂分离膜、水处理纳滤/超滤/微滤及特种分离膜方向取得了系列突破性成果，其团队的研究成果已经在多个企业规模化应用，为习近平总书记“绿水青山就是金山银山”的思想和我国“碳达峰、碳中和”的庄严承诺提供先进的技术支撑。邵路教授曾获得省部级奖励一等奖3项、二等奖2项，已经以通讯/第一作者在高影响力国际期刊发表论文170余篇，SCI被引频次10555次，高因子为65，以第一发明人获授权国家专利30项。

该研究工作得到了国家自然科学基金（22178076, 21878062和22111530113）、黑龙江省杰出青年科学基金（JQ2020B001）、黑龙江省头雁团队项目（HITTY-20190033）、城市水资源与水环境国家重点实验室自主课题（2020DX02）等基金资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37479-9.pdf

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻