鲁汶大学中国学者发明超高性能肴杂基质膜，性能逾越纯沸石膜

在人类的各项工业生产活动中，化学品分离过程的能源斲丧极大，占据环球能源消耗总量的 15%，而气体分离又是此中极具代价和寻衅性的一环。

近几十年来，以膜为根本的新一代分离技能敏捷鼓起。相对于传统的高能耗分离技能，膜分离不但可将分离过程的能耗低沉 90% 至 99%，并因其具备模块化操持、经济环保、高度机动、占地面积小等诸多优点，而成为工业气体分离，尤其是二氧化碳脱除的办理方案之一。

然而，只管膜分离技能具备诸多优点，但现有膜质料的性能存在极限，无法在包管质料抗老化且易加工的同时，实现对气体快速、高效的提纯。

针对这个标题，来自比利时鲁汶大学的研究职员发明白一种方法，乐成地将亲二氧化碳的 SSZ-39 沸石整合入一种商用聚酰亚胺中，得到了高负载、柔性、无缺陷且抗老化的肴杂基质膜（Mixedmatrix membranes，MMM）。此膜显现出了亘古未有的超高二氧化碳脱除性能，不但优于全部的 MMM 或聚合物膜，乃至凌驾了很多现有的纯沸石膜。

2022 年 12 月 15 日，干系论文以《真正联合聚合物膜和沸石膜的优点举行气体分离》（Truly combining the advantages of polymeric and zeolite membranes for gas separations）为题在 Science 上发表 [1]。

鲁汶大学 cMACS 研究中心的博士研究生谭潇雨为该论文的第一作者，鲁汶大学 cMACS 中心伊沃·范克尔康教授（Ivo Vankelecom）与 CSCE 中心米歇尔·杜塞利教授（Michiel Dusselier）为论文的共同通讯作者。

据谭潇雨先容，他本科毕业于大连理工大学，硕士就读于沙特阿卜杜拉国王科技大学，毕业后在沙特根本工业公司（SABIC）总部研究所从事两年研发工作，随厥后到鲁汶大学继续攻读博士学位。而这项研究正是始于 2019 年初，其时他刚从工业界重返校园，正在探求博士阶段的研究方向。

由于他颇为善于电子显微镜表征，以是常常会受到同事们的约请，资助各人拍摄电镜图片。此中就包罗同校博士后、现任教于浙江工业大学的柯权利。

“有一天我在帮柯权利师兄拍摄时，偶尔发现了一个具有 AEI 结构的 SSZ-39 沸石。它规则的形貌在电子显微镜下出现出特异的漂亮，一微米大的方形薄片占据了整个屏幕，就像一堆 iPad 随机摞在一起。”谭潇雨说，“那天，柯权利师兄合成了这个分子筛，正要去做催化方面的研究，于是我问他，能不能也给我一点样品，让我用它做一张膜。”

然而谭潇雨实验事后发现，用 SSZ-39 沸石制成的膜并没有显现分离气体的性能，只能暂时将其“抛之脑后”。

“又过了一两个月后，我突然想到，假如将这个膜举行退火处置惩罚，高温大概会引发高分子链重新分列，大概就会有转机。令人惊喜的是，退火处置惩罚后，这个膜立即显现出了良好的气体分离性能，显着强于高分子膜自己。”谭潇雨体现，他们意识到，这会是一个值得深入研究的方向，于是立即开始了对于它的优化工作。

为了进一步进步质料的性能，谭潇雨和各个课题组的成员相助，不但对 SSZ-39 举行了凌驾 100 次的重复制备，还制备了近 1000 张膜质料。

“其时我满身心地投入到这项工作中，偶尔一不注意就加班到了破晓两三点钟。每当确认膜的性能突破了汗青记录，我都会不由得给导师和相助搭档们发邮件报告，平常走在路上也会反复思考和复盘。”谭潇雨说。

终极，通过对沸石和膜制备方案的经心操持，该团队乐成地在一个柔性的膜上创建了一个三维的、具备正确的分子选择性的气体高速通道，并对多种气体举行了测试。效果体现，其对二氧化碳-CH4 肴杂气的选择性到达了~423，而二氧化碳的分泌性高达约 8300 Barrer（用于评估气体分泌性的单元）。

厥后，谭潇雨又先后与比利时根特大学与布鲁塞尔自由大学的研究者相助，对该质料的分离机理举行了深入研究，并完成了这个研究所需的全部测试，模拟和盘算工作。由于数据量巨大，为了符合 Science 对文章长度的要求，他们在投稿前不得不在正文中缩减了很多内容。

据先容，这篇论文的两位审稿人都给出了非常正面的评价，他们以为该团队将沸石和聚酰鸦鹣哚合，提出了新奇的高展弦比质料应用计谋，并开发出了有史以来性能最强的柔性二氧化碳分离膜。这不但是二氧化碳分离技能的突破，还办理了沸石肴杂基质膜制备这个困扰业界多年的困难。

“早先是由于看到这个质料很漂亮才开始研究，没想到竟然能在几年之后着花效果，孕育出了当下性能最强的二氧化碳分离膜。通常想到这一点，我自己也非常感慨。”谭潇雨说。

而这段履历也给了谭潇雨一个很好的启发。“做研究大概必要自由的心态，也必要一些灵感和激动，但更必要积累和对峙。”他说，“这项研究就始于刹那的灵感，它的出发点和止境并没有在一开始就被规划好，但是依附各人的对峙和积极，攻坚克难，柳暗花明，末了取得了远超预期的效果。”

该效果紧张可以应用在以下三方面：

第一，用于脱除天然气和沼气中的二氧化碳、二氧化硫、硫化氢等酸性杂质，以更低的本钱生产干净能源。

第二，用于高效分离和接纳火力发电站排放的烟道气中的二氧化碳，为实现碳中和目标提供助力。

第三，用于对包罗氢气，烷烃，烯烃等在内的高代价气态化合物的精粹与接纳，节能减排，以实现低碳经济。

在很多人眼中，化工是一个传统的、资源和技能麋集型行业。那么，在推进智能制造的大配景下，怎样推动化工行业举行转型升级，使其智能化？

“我以为我们这项工作就是一个很好的探索。”谭潇雨体现。

由于膜质料可以被方便地加工成各种规格的组件。因此，一方面，它既可以被安装在现有的化工装备上强化体系运行，并赋予化工生产更高的机动度。另一方面，又能基于模块化的开发理念，联合实时数据分析与物联网技能，操持智能化的膜分离体系，使其主动、机动地组合各种膜组件，按需提供分离本领，并终极实现化工厂的智能制造。

“我投身于先辈膜技能的研究已经有九年时间了。开发高性能膜质料以推动下一代分离技能的发展，是我对峙科研的紧张动力。”

别的，谭潇雨也先容了关于该项研究的后续研究操持。

起首，利用本钱更低、绿色环保的沸石来制备膜质料。其次，基于沸石开发高性能的膜质料平台，以同一个平台实现多种高代价应用，并探究更深条理的物化机理。别的，利用贸易化质料，开发高性能的沸石肴杂基质膜的大规模生产技能，进一步推动科研效果产业化。

参考资料：

1. Xiaoyu Tan, et al. Truly combining the advantages of polymeric and zeolite membranes for gas separations. Science378, 6625, 1189-1194 (2022). https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade1411