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二维层状分子筛膜MXene实现氢气与二氧化碳的高效分离
《材料人》编辑部 南渡 / 时间:2018-02-09 10:05:02

  据材料人微信公众平台2018年1月28日讯 逐渐发展起来的二维(2D)膜具有充足和均匀的纳米通道,可以打破分离过程中渗透率-选择性之间的平衡限制(trade-off),二维材料也成为气体高效分离的理想材料,并且为分离膜的发展提供了新思路。通常,二维层状膜由相邻二维纳米片堆叠形成,其间的层间纳米通道提供传质分离途径。然而,二维纳米片的随机堆叠形成的无序层间纳米通道却不利于气体的高效分离。因此,制备高度有序的二维纳米通道结构,实现快速精确的分子筛分,对于层状膜而言仍然是重大的挑战。
  近日,华南理工大学王海辉教授和德雷赛尔大学Yury Gogotsi教授(共同通讯作者)团队在Nat. Commun.杂志在线发表了一篇题为“MXene molecular sieving membranes for highly efficient gas separation ”的文章,介绍了一种具有高度有序的亚纳米通道二维层状分子筛膜MXene,利用MXene纳米片表面丰富且分布均匀的末端基团支撑形成高度有序的二维层状纳米孔道,实现快速、精准的气体分离能力:H2渗透通量达到2200 Barrer,H2/CO2的分离选择性达到160;并利用分子动力学定量模拟验证实验结果。


图1. 剥离的MXene(Ti3C2TX)纳米片的形态结构和堆叠型MXene膜的形貌和结构表征

图1. 剥离的MXene(Ti3C2TX)纳米片的形态结构和堆叠型MXene膜的形貌和结构表征

a) 置于多孔氧化铝上MXene纳米片的SEM图(插图为MXene胶体溶液的丁达尔散射效应展示图,标尺:1μm);
b) MXene纳米片的HRTEM照片(插图为SAED表征,标尺:5nm);
c) MXene纳米片在裂解云母上的AFM表征,纳米片层高度与蓝色虚线对应(标尺:500 nm);
d) MXene膜表面的SEM表征(插图为MXene膜的照片);
e) MXene膜的横截面的SEM图像(标尺:1μm插图为MXene膜弯曲的照片);
f) 具有2维通道的MXene膜横断面的TEM图(标尺:10 nm);
g) MAX(Ti3AlC2)粉末和MXene(Ti3C2TX)膜的XRD谱图;
h) 分子筛膜上相邻纳米片层间距示意图。

图2. MXene膜气体分离性能的分子动力学模拟与实验结果比较

图2. MXene膜气体分离性能的分子动力学模拟与实验结果比较

a) 单分子气体透过2μm厚的MXene膜的渗透系数与气体动力学直径的函数关系(25℃,1bar),插图为单分子气体和等摩尔比混合气体渗透研究中H2相对于其他气体的选择性;
b) H2/CO2和H2/N2单一气体和混合气体渗透选择性实验结果和MD模拟结果比较;
c) MD模拟通过MXene膜的气体分子的数量与单分子气体渗透时间的函数;由于H2的快速渗透,仅显示模拟的前10ns的数据;在CO2或N2的200ns长的模拟中,只有两个分子通过MXene膜,由于CO2在MXene膜上的吸附-解吸而出现曲线的波动;
d) (H2+CO2)和(H2+N2)两种混合气体在渗透系统中0、30、100和300ns等时间点下的模拟快照;其中H2利用联合原子力场模拟,MXene膜由两个纳米片组成,自由间隔(0.35nm)位于模拟系统中间;在开始时(t=0ns),进料室中存在30个H2和30个CO2(或N2)分子,其通过MXene膜渗透到抽空的渗透室。

图3. MXene膜的气体分离性能

图3. MXene膜的气体分离性能

a) 单组份气体透过不同厚度MXene膜的分离性能(25℃,1bar);
b) 等摩尔H2/CO2混合气体透过2μm厚的MXene膜时分离性能与温度的关系;
c) 2μm厚的MXene膜分离等摩尔H2/CO2混合气体的稳定性测试(25℃,1bar);
d) MXene膜与现有的气体分离膜对H2/CO2分离性能的比较(黑线:2008年高分子膜分离H2/CO2混合气体的Robeson上限;橙色虚线:截至2017年现有的膜分离技术用于H2/CO2混合气体分离的Robeson上限)。


  将具有二维结构和物理化学性质可调的MXene二维材料开发为新型分子筛膜为膜分离领域提供了激动人心的机会。现在已经有30多类MXenes材料可以使用,并且还有几十个MXenes可以制备出来,这为进一步提高其分离性能提供了很大的空间。本文研发的MXene膜对于气体的分离是十分重要的,例如甲醇重整过程中的H2净化,零排放化石燃料发电过程中CO2捕集,氨生产中H2回收等。此外,文章还展示了关于二维分子筛膜结构设计的新概念,即:采用高度有序的二维纳米通道,可以实现快速、精确的分子筛分,突破trade-off限制,提高分离效率。
  通讯作者及团队简介
  王海辉教授,1975年生,华南理工大学教授,博士生导师,杰青,英国皇家化学会Fellow。2003年毕业于中国科学院大连化学物理研究所,获博士学位。先后在德国汉诺威大学做洪堡学者和博士后研究人员。2011年入选广东省珠江学者特聘教授,2012年获得国家杰出青年基金获得者,2015年入选科技部中青年科技创新领军人才,2016年入选英国皇家化学会Fellow。在AIChE Journal,Angwante Chemie International Edit,JACS,Advanced Materials, Chemical Science等学术期刊上,发表论文170余篇,论文被引用7499次(Google Scholar, 2017年3月29日),H因子:51,自2014年起连续入选爱思唯尔中国高被引学者(化学工程领域)。