二氧化碳的分離與捕集對于緩解生產(chǎn)過程中溫室氣體的排放具有重要意義。在碳捕集方面，在氣體分離中大放異彩的MOFs材料顯得不是很合適。其主要原因是大部分的碳分離捕集過程都會涉及到水份的影響，在潮濕的條件下MOFs材料的結(jié)構(gòu)不是很穩(wěn)定。并且在制備過濾膜的時候，MOFs材料一般會被涂覆到高分子薄膜上來形成“混合相”的薄膜。但是由于MOFs和薄膜之間沒有化學(xué)的橋接作用，因此實際的過濾薄膜會存在很多缺陷以及MOFs的團(tuán)聚，從而造成過濾膜的性能損失。
英國倫敦時間2018年11月19日下午，天津大學(xué)化工學(xué)院王志教授團(tuán)隊及其合作者在《自然·材料》（Nature Materials）在線發(fā)表了題為“Metal-induced ordered microporous polymers for fabricating large-area gas separation membranes”的學(xué)術(shù)論文（DOI：10.1038/s41563-018-0221-3），本工作首次實現(xiàn)了超薄多孔膜的大面積制備。
論文首次發(fā)現(xiàn)了可以通過金屬誘導(dǎo)的方法來合成有序微孔膜，用于高效的CO2/N2分離。在該論文中，作者以金屬離子（Cu2+, Zn2+），有機偶聯(lián)分子和短鏈的高分子聚合物作為結(jié)構(gòu)單元，成功構(gòu)筑了具有有序微孔結(jié)構(gòu)的金屬誘導(dǎo)有序微孔聚合物（MMPs）。MMPs可以涂覆在商業(yè)的薄膜上，具有很好的機械穩(wěn)定性。且由于CO2和其中的聚合物單元具有較好的親和性，因此能夠透過薄膜；而親和性較差的氮氣被阻擋，從而實現(xiàn)了氣體的分離。來自德州農(nóng)工大學(xué)的Prof. Freeman在同期的雜志上發(fā)表評論，認(rèn)為該項工作為氣體的分離技術(shù)開辟了一個全新的領(lǐng)域。
圖1.短鏈的高分子通過金屬離子和有機連接劑相互連接構(gòu)成了有序微孔聚合物
圖2.通過聚合物導(dǎo)向及其金屬離子誘導(dǎo)的方法合成有序微孔聚合物
圖3.MMPs的晶體結(jié)構(gòu)及其形貌
圖4.MMPs的孔徑分布，熱重曲線，干濕狀態(tài)下氣體的吸附容量
圖5.構(gòu)筑的分離膜的形貌及其分離性能
王志教授團(tuán)隊長期致力于CO2分離膜技術(shù)的研究。為突破CO2分離膜的性能瓶頸，從綜合調(diào)控膜結(jié)構(gòu)、聯(lián)合多種選擇機制、構(gòu)筑CO2高速傳遞通道以及構(gòu)筑高效仿生結(jié)構(gòu)等方面設(shè)計和制備高性能膜材料。成功開發(fā)了多種分離性能處于世界先進(jìn)甚至領(lǐng)先水平的新型CO2分離膜材料，相關(guān)研究成果發(fā)表在《Nature Materials》、《Angewandte Chemie International Edition》、《Advanced Materials》、《AIChE Journal》、《Energy & Environmental Science》等高水平期刊上。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)開發(fā)了膜材料、膜及膜組件的規(guī)模化制備技術(shù)。CO2分離膜相關(guān)研究得到了國家重點研發(fā)計劃、863計劃、973計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目等項目的支持。
