| 高CO2渗透性MOF纳米片混合基质膜及其CO2/H2分离性能研究 |
| 作者: 陈梦珠1,2, 束伦2*, 焦成丽2, 张小倩2, 庞龙2, 高军1*, 江河清2 |
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单位:
1. 山东科技大学 化学与生物工程学院, 青岛 266590; 2. 中国科学院青岛生物能源与过程研究所, 青岛 266101 |
| 关键词: 气体分离; 金属有机框架纳米片; 混合基质膜; 高渗透性 |
| DOI号: 10.16159/j.cnki.issn1007-8924.2026.03.008 |
| 分类号: TQ028.8 |
| 出版年,卷(期):页码: 2026, 46(3):78-88 |
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摘要: |
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具有高渗透性及实用选择性气体分离膜的开发,对于碳捕获过程中难分离体系(如CO2/H2)能耗与成本的降低具有重要意义。然而,传统聚合物膜因链段结构无序且自由体积较低,难以实现理想的高渗透性;同时,其易物理老化的特性也严重制约了膜材料在CO2分离中的长期稳定性。本文报道了一种柱撑型镍基金属-有机框架[Ni(HBTC)(4,4′-bipy)]纳米片混合基质膜(Ni-MOF NS@PDMS)。通过对Ni-MOF晶体生长条件的调控,获得高宽高比纳米片,这种结构不仅与聚合物PDMS基质具有良好的兼容性,还可在膜内形成水平取向排列。Ni-MOF NS的加入有效增加了膜内自由体积,抑制了聚合物链段柔性,同时其充分暴露的Ni金属位点还有利于促进CO2的传质。在最优负载量(质量分数20%)下,混合基质膜的CO2/H2分离因子为5,CO2渗透系数高达~20 000 Barrer,远超已报道分离膜。此外,该膜还展现出良好的运行稳定性,连续运行200 h性能无衰减。本研究为工业CO2/H2分离提供了一种新型分离膜。 |
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Gas separation membranes with high permeability and practical selectivity are essential for reducing the energy consumption and cost of carbon capture, such as CO2/H2 separation. However, conventional polymer membranes suffer from disordered chain packing and low free volume. These intrinsic limitations restrict gas permeability. Physical aging further undermines long-term separation stability. Here, we reported a pillared nickel-based metal-organic framework [Ni(HBTC)(4,4′-bipy)] nanosheets mixed matrix membrane, denoted as Ni-MOF NS@PDMS. High-aspect-ratio MOF nanosheets were obtained by regulating crystal growth. The nanosheets spontaneously adopted a horizontal orientation within the membrane while maintaining excellent interfacial compatibility with the PDMS matrix. The incorporation of MOF nanosheets increased the membrane free volume, restricted polymer chain mobility, and facilitated CO2 transport via fully exposed Ni metal sites. Under the optimal filler loading of 20%, the membrane achieved a CO2/H2 separation factor of 5 and a high CO2 permeability of ~20 000 Barrer. This separation performance markedly outperformed previously reported separation membranes. The membrane also showed excellent operational stability over a 200 h of continuous operation. This work demonstrates a promising membrane with strong potential for practical CO2/H2 separation applications. |
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基金项目: |
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山东省重点研发计划资助(2023CXGC010417); 国家重点研发计划项目(2022YFB4003200); 国家自然科学基金项目 (22408381/22308365); 国家资助博士后研究人员计划项目(GZB20240782); 中国博士后科学基金面上项目(2024M753354); 山东省自然科学基金项目(ZR2024QB048); 山东省泰山学者(tstp20221151); 山东省重点研发计划项目(2024CXPT030) |
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作者简介: |
| 第一作者简介: 陈梦珠(2001-),女,山东泰安人,硕士研究生,研究方向为气体分离膜.*通讯作者,束伦,E-mail: kunlun@qibebt.ac.cn;高军,E-mail: gao@sdust.edu.cn |
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参考文献: |
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[1]Abe J O, Popoola A P I, Ajenifuja E, et al. Hydrogen energy, economy and storage: Review and recommendation [J]. Int J Hydrogen Energy, 2019, 44(29): 15072-15086. |
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