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湖南大學(xué)王少飛教授 AFM:鈀功能化MOF凝膠網(wǎng)絡(luò)在混合基質(zhì)膜中創(chuàng)造連續(xù)氫溢流
2024-11-08  來源:高分子科技

  氫氣作為未來清潔能源的關(guān)鍵組成部分,其分離和純化技術(shù)尤為重要。然而,傳統(tǒng)的氫氣分離方法,如變壓吸附和低溫蒸餾,往往面臨著能耗高、復(fù)雜性大的挑戰(zhàn)。相較之下,基于膜的分離方法因其低能耗、簡單操作等優(yōu)勢,逐漸成為熱點研究方向。然而,目前傳統(tǒng)膜材料在氫氣分離中存在透過性與選擇性之間的固有權(quán)衡,如何同時提升這兩項關(guān)鍵性能指標成為行業(yè)面臨的重要難題。


  湖南大學(xué)王少飛教授團隊長期致力于貫穿通道膜的構(gòu)筑,前期對MOF凝膠在混合基質(zhì)膜中的應(yīng)用進行了探索(Chem. Eng. J. 2024, 484, 149489)。近期,團隊創(chuàng)新性地設(shè)計了一種基于鈀功能化ZIF-67凝膠網(wǎng)絡(luò)(Pd@ZIF-67 gel)的混合基質(zhì)膜(MMMs)。該設(shè)計首次將氫氣溢流機制應(yīng)用于膜分離領(lǐng)域,顯著提升了氫氣的傳輸效率和分離選擇性。氫氣溢流如圖1所示,氫氣分子在金屬納米顆粒(如鈀)表面被解離為原子氫,并通過MOF結(jié)構(gòu)的微孔道進行擴散。為了實現(xiàn)這一機制,團隊通過將鈀納米顆粒均勻地嵌入到ZIF-67凝膠中,形成連續(xù)的氫氣溢流路徑,從而有效提高了氫氣傳輸效率。


氫氣溢流機制示意圖


  ZIF-67凝膠作為功能性骨架材料,為鈀納米顆粒提供了良好的分布環(huán)境,不僅避免了納米顆粒的聚集現(xiàn)象,還保留了高比表面積和均勻的孔道結(jié)構(gòu)。通過與PIM-1基質(zhì)結(jié)合,制備了Pd@ZIF-67 gel/PIM-1混合基質(zhì)膜,并通過透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)等多種表征手段(圖2、圖3,確認了該膜結(jié)構(gòu)中的鈀顆粒均勻分布,形成了有效的氫氣傳輸通道。


  研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)Pd@ZIF-67凝膠的負載量達到28 wt%時,混合基質(zhì)膜表現(xiàn)出極佳的氫氣滲透性和選擇性,氫氣滲透率達到了3620 BarrerH?/CH?選擇性達到了24.9。這一性能已顯著超越了2008年提出的氫氣分離性能上限。這些優(yōu)異的表現(xiàn)主要歸因于以下幾個方面:首先,ZIF-67凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確保了鈀納米顆粒的均勻分布,從而實現(xiàn)了連續(xù)的氫氣溢流路徑;其次,Pd@ZIF-67 gel的微孔和中孔結(jié)構(gòu)為氫氣的擴散提供了豐富的路徑,降低了傳質(zhì)阻力;最后,PIM-1基質(zhì)材料的高自由體積特性也為氫氣傳輸提供了更多通道。


2 Pd@ZIF-67 gel的合成方法及結(jié)構(gòu)表征


3:混合基質(zhì)膜橫截面及Pd元素分布


  他們的研究成果表明,通過將鈀功能化ZIF-67凝膠與PIM-1基質(zhì)相結(jié)合,并利用氫氣溢流機制,可以顯著提升混合基質(zhì)膜的氫氣分離性能,為下一代氫氣分離膜材料的開發(fā)提供了創(chuàng)新性的設(shè)計思路和技術(shù)路徑。這種創(chuàng)新型材料的潛力不僅限于氫氣分離,在其他氣體分離或催化領(lǐng)域也同樣值得進一步探索。希望該工作能夠推動Pd@ZIF-67凝膠/PIM-1混合基質(zhì)膜在工業(yè)氫氣分離領(lǐng)域的實際應(yīng)用,為實現(xiàn)清潔能源的高效利用貢獻力量。


  相關(guān)成果以Boosting Hydrogen Transport in Mixed Matrix Membranes through Continuous Spillover via Pd-Functionalized MOF Gel Networks為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。湖南大學(xué)博士研究生張克明是該論文的第一作者,王少飛教授為通訊作者,本工作得到了石油污染控制國家重點實驗室開放課題、長沙自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項目的資助


  注:歡迎開展合作研究,有意者請來信郵箱(shaofeiwang@hnu.edu.cn)。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202417186

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