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哈工大邵路教授團隊《Nat. Commun.》: 多酚助力膜法碳捕集
2023-03-31  來源:高分子科技

  近年來,全球碳排放迅速增加,使大氣中的二氧化碳含量達到創紀錄的水平,導致頻繁的災難性氣候環境問題,嚴重威脅人類的生存發展。在這種嚴峻形勢下,我國提出碳達峰碳中和的莊嚴承諾!高效的碳捕獲技術是減少碳排放和二氧化碳進一步催化轉化的前提和基礎,是實現雙碳目標的重中之重的關鍵技術。


  氣體膜分離技術因其低成本且易操作的優勢對碳捕集產業發展,緩解全球氣候變化具有重要意義。其中,通過金屬有機框架(MOF)和聚合物基質的結合獲得的混合基質膜在氣體分離方面中表現出極大潛力,但是聚合物和MOF之間實現理想的匹配始終是一個具有挑戰性的課題,特別是針對新興的高滲透性膜材料,如自具微孔聚合物(PIM)。


  近日,哈爾濱工業大學化工與化學學院教授、城市水資源與水環境國家重點實驗室成員邵路帶領團隊提出新方法合成了高效碳捕集分離膜,突破了傳統分離膜滲透性與選擇性博弈的難題。相關論文《多功能多酚焊接推動高效膜法碳捕集》(Boosting Membrane Carbon Capture via Multifaceted Polyphenol-mediated Soldering)發表在Nature子刊《自然通訊》(Nature Communications)上。哈爾濱工業大學為唯一通訊單位,邵路教授為唯一通訊作者,論文第一作者為哈工大化工與化學學院博士生朱斌 



  邵路教授團隊在該工作中率先提出了多功能分子焊接策略實現對聚合物鏈、金屬有機框架結構以及兩相界面的精準調控。多酚的特殊粘附性導致PIM-1鏈的僵化以及堆積密度的增加,提高篩分能力;中空的MOF結構減少了傳質阻力,改善氣體滲透性。不同的結構特點互相協同,打破了傳統聚合物材料中滲透性-選擇性此消彼長的trade-off效應限制。 


1:基于多酚分子焊接策略的新型MOF填料合成示意圖


  通過和其他MOF混合基質膜相比,基于分子焊接策略的PIM/HZIF膜表現出明顯的反trade-off效應(如圖2a所示),CO2滲透系數上升36%CO2/N2選擇性性上升28%。并且結合著名的Robeson分離上限可以看出,PIM/HZIF展現出絕對優異的分離性能(圖2b),CO2滲透系數達到8268 Barrer, CO2/N2選擇性可達25.1。 


2(a) PIM/HZIFCO2滲透系數和CO2/N2選擇性增長率與文獻報道值的對比;(b) PIM/HZIF膜和其他PIM/MOF混合基質膜的性能對比。


  這種多酚分子焊接策略為新一代高性能混合基質膜提供了通用方法,有望同步實現碳捕集過程和能源回收,為污水處理系統深度碳減排過程中甲烷、氫氣等氣體的分離純化提供了前瞻技術支撐。同時,該方法對于面向液相體系分離純化的新型功能膜構筑也具有重要的指導意義。


  邵路教授為英國皇家化學會會士、黑龍江省杰出青年科學基金獲得者、中國化工學會分子辨識分離工程專委會委員,任領域內多個國際權威期刊編委(Journal of Membrane Science, Advanced Membranes)、顧問編委(ACS ES&T Engineering)等職務,連續入選中國高被引學者。


  邵路教授團隊長期從事膜材料與膜分離的研究,先后在碳捕集氣膜、耐有機溶劑分離膜、水處理納濾/超濾/微濾及特種分離膜方向取得了系列突破性成果,其團隊的研究成果已經在多個企業規;瘧,為習近平總書記綠水青山就是金山銀山的思想和我國碳達峰、碳中和的莊嚴承諾提供先進的技術支撐。邵路教授曾獲得省部級獎勵一等獎3項、二等獎2項,已經以通訊/第一作者在高影響力國際期刊發表論文170余篇,SCI被引頻次10555次,高因子為65,以第一發明人獲授權國家專利30項。


  該研究工作得到了國家自然科學基金(22178076, 2187806222111530113)、黑龍江省杰出青年科學基金(JQ2020B001)、黑龍江省頭雁團隊項目(HITTY-20190033)、城市水資源與水環境國家重點實驗室自主課題(2020DX02)等基金資助。


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-37479-9.pdf 

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(責任編輯:xu)
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