科技創(chuàng)新

高性能超薄二氧化碳分離膜制備成功

近日，從中國科學院大連化學物理研究院傳出消息，該所無機膜與催化新材料研究組的楊維慎研究員和彭媛副研究員團隊在純相共價有機框架(COFs)氣體分離膜研究方面取得新進展，制備出高性能超薄二氧化碳分離膜，分離性能達到了工業(yè)應(yīng)用需求。

據(jù)介紹，他們制備的二氧化碳分離膜以COFs納米片為膜構(gòu)筑基元，誘發(fā)錯排縮孔效應(yīng)，實現(xiàn)了二氧化碳/氫氣混合氣中二氧化碳的優(yōu)先滲透分離。也就是說，二維COFs骨架對二氧化碳選擇性吸附特性與納米片錯排縮孔效應(yīng)協(xié)同作用，可以誘發(fā)氣體在膜內(nèi)表面擴散機制，進而實現(xiàn)二氧化碳的高效分離。實驗研究數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用COFs材料時，在298 K下，二氧化碳/氫氣分離系數(shù)大于20，二氧化碳滲透率大于300 GPUs，分離性能達到了工業(yè)應(yīng)用需求。

由于二維COFs孔徑大于0.8 nm，對于動力學直徑為0.3 nm～0.4 nm的小分子氣體例如氫氣(0.29 nm)、二氧化碳(0.33 nm)等難以實現(xiàn)精確分離，構(gòu)建具有高效二氧化碳分離性能的純相二維COFs膜面臨極大挑戰(zhàn)。“但COFs材料具有永久性一維直通孔道，豐富的表面官能團以及優(yōu)異穩(wěn)定性，在二氧化碳分離領(lǐng)域仍然具有巨大的應(yīng)用潛力。

基于此，該團隊在前期研究基礎(chǔ)上，以3種不同表面化學和孔徑的層狀COFs材料為研究對象，發(fā)展出一種弱酸性溶劑剝層，并輔以溫和機械外力的方法，將其剝離為厚度2 nm、尺寸達微米級的系列超薄納米片層，通過精確控制納米片錯排組裝，構(gòu)建了孔徑尺寸適合二氧化碳分離的純相COFs膜。

“動態(tài)三原子”加氫催化劑問世

近日，中國科學技術(shù)大學路軍嶺教授與李微雪教授、韋世強教授等課題組合作，利用金屬載體相互作用和原子限域，首次設(shè)計出一種高密度、抗積碳鎳銅“動態(tài)三原子”新型非貴金屬催化劑，并在富烯烴氣氛中乙炔和1,3-丁二烯選擇性加氫等應(yīng)用方面取得突破性進展。

低碳烯烴是石油化工中的核心平臺小分子。石腦油裂解制備的低碳烯烴，通常含有微量乙炔和1,3-丁二烯分子，嚴重影響其下游應(yīng)用。選擇性加氫是去除烯烴中微量乙炔(或1,3-丁二烯)的一項關(guān)鍵純化技術(shù)，其工業(yè)催化劑通常是鈀基貴金屬催化劑。開發(fā)出高效非貴金屬催化劑，同時避免催化劑燒結(jié)和積碳，是一項重要科學難題。

路軍嶺團隊通過協(xié)同金屬—載體相互作用和原子限域，在石墨型氮化碳載體上制備出一種高密度鎳銅三原子催化劑。在富乙烯氛圍的乙炔(或1,3-丁二烯)選擇性加氫反應(yīng)中，該催化劑在活性、選擇性、穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，優(yōu)于鎳單原子催化劑。測試表明，該催化劑在反應(yīng)過程中基本沒有積碳的生成。

多種表征和理論計算表明，活性金屬鎳原子通過羥基被限域在兩個銅原子位點中間，形成一種線式結(jié)構(gòu)，鎳原子位點在加氫反應(yīng)中可以發(fā)生動態(tài)結(jié)構(gòu)變化。這種動態(tài)結(jié)構(gòu)變化，不僅可以改進催化劑對反應(yīng)分子的吸附從而提高催化活性，而且可以維持高穩(wěn)定性，而單鎳位點則使得該催化劑表現(xiàn)出高選擇性和高抗積碳性能。