Nature Energy：新型二氧化碳分离用超级滤膜

几天前，特立独行的美国总统特朗普又做出一个让世人震惊的决定——美国退出《巴黎协定》。经过全球195个国家艰苦而漫长的谈判，《巴黎协定》于2015年12月12日举行的联合国气候峰会中通过，旨在通过减少燃烧化石燃料产生的二氧化碳和其他排放物来限制全球变暖。尽管特朗普先生一直不承认，但学术界普遍认为“全球变暖”问题是实实在在存在且迫在眉睫的问题。举个例子，一座大型火力发电厂一天所排放的二氧化碳，体积相当于12个埃及吉萨金字塔，而世界上500兆瓦及以上的大型火力发电厂有5000余个，总数还在不断增加，更不说数量惊人的中小型发电厂以及其他以燃烧化石燃料功能的产业了。

面对巨量的温室气体，科学家们想了各种应对方法，二氧化碳捕获和封存（CCS）就是其一。不过，当前的CCS技术大多使用液相吸收的方法，成本较高，很难长时间运行。膜分离也是有希望的CCS技术之一，不过目前的商业化膜技术要么选择性差影响分离效果，要么透过性差影响分离速度，而且成本也不低。最近，一项发表在Nature Energy 上的高性能二氧化碳分离膜的研究工作，给解决这一问题带来了希望。来自京都大学高等研究院物质-细胞综合系统研究所（iCeMS）、伦敦帝国学院和香港城市大学的研究者们，使用自具微孔聚合物（PIM-1）与金属有机骨架材料（MOF）纳米颗粒以混合基质膜（MMMs）的方式开发了一种新型二氧化碳分离膜材料，兼具高透过性和高选择性，有望用于解决21世纪人类所面临的严峻环境问题——二氧化碳的分离与存储。

由PIM-1和MOF UiO-66制备混合基质膜用于二氧化碳气体分离。图片来源：Nature Energy

本文通讯作者、京都大学iCeMS的Easan Sivaniah教授解释说，目前聚合物膜分离技术还没有完全在工业领域中得到应用，主要是由于已有的分离膜材料往往难以兼顾气体透过性与选择性这两个“相互矛盾”的性质。新型的膜材料只有同时具备高选择性以及高透过性，才有望实现在工业领域的大规模广泛应用。

Easan Sivaniah教授。图片来源：Kyoto University

PIM-1是由曼彻斯特大学的Peter Budd教授和爱丁堡大学Neil McKeown教授十几年前开发的一种具有微孔结构的可溶性高分子材料，具有超高的比表面积。值得一提的是，该聚合物对气体的透过性非常高，其渗透系数是常规聚合物的上百倍，但其选择性较为一般。此项工作中，研究者们通过巧妙的设计，将氨基化的锆基MOF（UiO-66）纳米颗粒作为纳米填料与PIM-1复合，在不牺牲膜的渗透系数的同时，大大的提高了膜的选择性。通过高透过率与高选择性的结合，使得这种新型的混合基质膜对二氧化碳捕获变得更加经济可行。

研究者们工作的重点之一是提高PIM-1分子与MOF填料的界面相互作用。他们通过降低MOF填料的颗粒尺寸提高分散性以及对MOF表面氨基功能化两个角度来解决这一问题。MOF的氨基功能化可以与PIM-1分子主链产生氢键相互作用，这样可以以一种物理交联作用的方式使得高分子与MOF紧密结合，提高膜的分子筛分能力，有效的将尺寸较大的分子阻隔，而选择性的透过小分子。

混合基质膜中PIM-1主链与氨基化MOF纳米颗粒通过氢键相互作用的分子模拟图。图片来源：Nature Energy

该文作者之一、伦敦帝国学院的讲师Qilei Song解释说，这种微孔高分子材料不但可以用于像二氧化碳的温室气体的分离，同时也可以用于其他气体的分离纯化，如空气、天然气、氢气等，另外该材料在水纯化、脱盐等领域都具有广泛的应用前景。

Sivaniah教授表示，“运用此项技术，我们可以大大削减大型CCS项目的巨额成本，成本降低十倍不再是夸夸其谈。这也可能会使CCS项目的成本回到政府可接受的范围之内。”

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Enhanced selectivity in mixed matrix membranes for CO₂ capture through efficient dispersion of amine-functionalised MOF nanoparticles.

Nature Energy, 2017, 2, 17086, DOI: 10.1038/nenergy.2017.86

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