向生物共生現(xiàn)象學(xué)習(xí) 造出高效分離膜助力碳捕集

該方法消除了傳統(tǒng)合成后步驟，顯著增強(qiáng)了MOF納米粒子的分散能力，以及界面相容性，并且在合成的混合基質(zhì)膜中，ZIF-8的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)達(dá)到了67.2%，而通常MOF的添加量極限的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在20%左右。

氣體，作為“看不見摸不著”的存在，卻在很大程度上影響著人類賴以生存的環(huán)境與氣候?？茖W(xué)家們致力于對(duì)氣體資源進(jìn)行研究和利用，而這首先需要對(duì)氣體進(jìn)行分離和純化。膜法分離就是深入研究氣體的有效手段之一。那能不能找到一種成本較低、效率較高且可持續(xù)使用的環(huán)保膜法分離技術(shù)呢？

科技日?qǐng)?bào)記者2月26日從哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲悉，近日，中國(guó)化工學(xué)會(huì)分子辨識(shí)分離工程專委會(huì)委員、哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授邵路帶領(lǐng)課題組在這一領(lǐng)域有了新突破。團(tuán)隊(duì)提出一種簡(jiǎn)單易操作的新方法合成制備了可實(shí)現(xiàn)高效碳捕集的氣體分離膜。相關(guān)研究成果以《面向可持續(xù)碳捕集的超高M(jìn)OF含量混合基質(zhì)膜的生物共生系統(tǒng)啟發(fā)合成》為題，發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。邵路為唯一通訊作者，論文第一作者為哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院博士生赫羴姍。

實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)

二氧化碳是主要的溫室氣體。最新調(diào)查研究顯示，全球二氧化碳濃度每年都在超標(biāo)排放，到本世紀(jì)末大氣中的二氧化碳含量預(yù)計(jì)將達(dá)到750ppm（百萬(wàn)分比濃度）。

二氧化碳濃度的變化，將導(dǎo)致地球氣溫上升，進(jìn)而帶來(lái)一系列毀滅性災(zāi)難（如海平面上升，暴雨、暴雪等降水變化）。“這就和人類生病發(fā)燒一樣可怕。”邵路說(shuō)，“根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第六次評(píng)估報(bào)告，全球溫度較工業(yè)化之前上升了1.5℃，已經(jīng)瀕臨地球能夠承受的極限了。”

2020年9月22日，在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，我國(guó)提出“雙碳”戰(zhàn)略，即中國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這是我國(guó)作為世界大國(guó)對(duì)全世界人民做出的莊嚴(yán)承諾。

“雙碳”目標(biāo)的難點(diǎn)在于，人類生產(chǎn)生活都會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，如何在保障人民生活質(zhì)量和國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)“碳的零排放”呢？現(xiàn)階段最好的方法是將產(chǎn)生的二氧化碳利用起來(lái)，“變廢為寶”。

碳捕集技術(shù)就是將二氧化碳“抓起來(lái)”“提出來(lái)”的技術(shù)。高效的碳捕獲技術(shù)是減少碳排放和二氧化碳進(jìn)一步催化轉(zhuǎn)化的前提和基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，膜法分離就是其中之一。

邵路向科技日?qǐng)?bào)記者介紹，膜法分離氣體是指利用不同性質(zhì)的氣體在驅(qū)動(dòng)力的作用下透過膜的速率不同，將氣體進(jìn)行有效的分離、濃縮和富集，其優(yōu)勢(shì)在于成本相對(duì)較低，分離過程中無(wú)相變，可連續(xù)操作，能源效率較高，無(wú)二次污染。

“薄薄的一片膜，就像篩子一樣，把氣體分子分開來(lái)，很神奇吧！”邵路形象地比喻自己的研究?jī)?nèi)容。

受生物共生啟發(fā)構(gòu)筑高效分離膜

氣體滲透通量和選擇性是衡量膜氣體分離性能的兩個(gè)重要參數(shù)。氣體滲透通量代表了氣體透過的速率，要求快；選擇性代表著氣體分離效率，要求高。然而，快和高之間往往此消彼長(zhǎng)，

也就是說(shuō)，高滲透率通常伴隨著低選擇性，反之亦然。同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速和高效，是設(shè)計(jì)膜材料的初衷，高性能的膜材料是實(shí)現(xiàn)高效氣體分離的前提和基礎(chǔ)。

以聚合物材料為基質(zhì)，將納米填料分散其中制備的混合基質(zhì)膜，是具有實(shí)際應(yīng)用前景的分離膜之一。具有超高通氣性的自具微孔聚合物（PIM-1，polymers of intrinsic microporosity-1）和具有可調(diào)控孔徑的金屬有機(jī)框架（MOF）納米材料組成的混合基質(zhì)膜，是該領(lǐng)域的“新寵”，而充分發(fā)揮二者結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的前提在于解決納米粒子團(tuán)聚和界面相容性差的問題。

邵路說(shuō)：“我當(dāng)年在新加坡獲得博士學(xué)位后回國(guó)，就是想用自己學(xué)到的膜技術(shù)為祖國(guó)服務(wù)。我們團(tuán)隊(duì)近20年積累了豐富的氣體分離膜研究經(jīng)驗(yàn)，之前也成功制備過很多基于其他聚合物膜的混合基質(zhì)膜，但對(duì)于PIM-1材料中MOF的原位加入或者生成卻一直未能成功，究其原因是PIM-1的溶劑通常為有機(jī)溶劑，而MOF在有機(jī)溶劑中的常溫合成鮮有報(bào)道。但PIM-1本身具有很好的氣體分離性能，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究，一定可以制備出更高性能的分離膜。”

邵路3年前把這個(gè)問題交給其指導(dǎo)的博士生赫羴姍，讓她思考如何能解決PIM中高含量MOF填充的問題。經(jīng)過系列探索研究，受到根瘤菌與豆類作物根部共生形成根瘤的自然界共生現(xiàn)象啟發(fā)，邵路團(tuán)隊(duì)終于成功開發(fā)出沸石咪唑骨架ZIF-8（ZIF，Zeolitic Imidazolate Frameworks）在PIM-1聚合物中共生生長(zhǎng)的方法，避免了ZIF-8預(yù)先合成、干燥、再重新分散的步驟，而是利用氯仿、水的混合溶劑體系，一步即可把ZIF-8“嵌入”到PIM-1基質(zhì)中，借此實(shí)現(xiàn)多孔納米粒子的高添加量，并保證了納米粒子和聚合物之間的良好界面相容性。

該方法消除了傳統(tǒng)合成后步驟，顯著增強(qiáng)了MOF納米粒子的分散能力，以及界面相容性，并且在合成的混合基質(zhì)膜中，ZIF-8的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)達(dá)到了67.2%，而通常MOF的添加量極限的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在20%左右。如此高的MOF含量也導(dǎo)致了分離機(jī)理的改變，利用實(shí)驗(yàn)技術(shù)和密度泛函理論模擬手段，證明該方法提高了二氧化碳的溶解系數(shù)，這與其他工作中報(bào)道的金屬有機(jī)框架促進(jìn)氣體擴(kuò)散的方法有著顯著不同，也是氣體通量與選擇性得以同時(shí)提高的奧秘。

提供研究通用“工具箱”

邵路表示，該方法同時(shí)提高了二氧化碳的滲透性和選擇性，即使在長(zhǎng)期測(cè)試中也保持優(yōu)越的碳捕獲性能。在超高M(jìn)OF負(fù)載量的情況下，機(jī)械強(qiáng)度也可保持不變。這種由共生現(xiàn)象啟發(fā)的全新策略，或可為下一代混合基質(zhì)膜研究指明方向，可充分發(fā)揮金屬有機(jī)框架和聚合物的分離性能優(yōu)勢(shì)。

更重要的是，這種共生的方法具有很強(qiáng)的通用性，適用于不同納米粒子和聚合物的組合。這種方法更像是提供了一個(gè)通用的工具箱，材料組合的變換，可能會(huì)呈現(xiàn)更驚人的性能。“我們提出的這種簡(jiǎn)單又普適的方法，就像數(shù)學(xué)中的公式，接下來(lái)就是代入不同的數(shù)去運(yùn)算的工作了，通過不同材料組合的嘗試，還有新材料的開發(fā)和發(fā)展，很可能構(gòu)建出下一代用于可持續(xù)氣體分離的高性能混合基質(zhì)膜，也打開了基于金屬有機(jī)框架的復(fù)合材料的制造新思路。”邵路表示。

“膜法氣體分離是我自讀博士以來(lái)一直研究的科研課題。”邵路表示，該團(tuán)隊(duì)研究的新型氣體分離膜實(shí)現(xiàn)了超高的氣體分離性能，并且這種方法簡(jiǎn)單易操作，具有巨大的應(yīng)用潛力。希望能盡快推進(jìn)“膜”法“上天”，為“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成提供先進(jìn)的技術(shù)支持。