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比表面积更大吸附能力更强新型多孔材料将取代活性炭
浙江在线记者 张吉 / 时间:2018-07-12 08:32:52

  据浙江在线科技频道2018年7月11日讯 吸附甲醛、净化空气、处理废水,对于活性炭材料的“神奇”能力,人们已不陌生,这种诞生于上世纪的材料,因具有很大的比表面积,对气体、溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒等都有良好的吸附能力,广泛应用于生产、生活中。
  不过,随着科技的进步,拥有比活性炭比表面积更大、吸附能力更强的材料正从实验室迈向应用化。日前,记者从中国科学院宁波材料技术与工程研究所了解到,由该院新能源所陈亮课题组领衔的“新型杂化金属有机骨架材料”取得突破,将为气体吸附、分离等取代活性炭材料带来可能。


新型气体分离材料原理示意图(陈亮/供图)

新型气体分离材料原理示意图(陈亮/供图)


  比表面积抵过足球场
  性能甩了活性炭几条“大街”
  在浙江省自然科学基金的支持下,陈亮课题组完成了“新型杂化金属有机骨架材料设计及其电子结构与构效关系的研究”项目,成功的开发出了新型多孔材料,并在国际上首次将其与有机硅合成杂化膜材料用于气体分离。
  “这些是涂上了新型杂化金属有机多孔材料的中空陶瓷管,在小试阶段就已经显示出了其强大的气体分离能力。”在实验室里,陈亮向记者展示了这部分的科研成果。陈亮介绍,新型金属有机框架材料的性能可以说甩了活性炭好几条“大街”——从最主要的比表面积看,1克新型金属有机框架材料最高能达到了7000多平方米。
  7000平方米是什么概念呢?几乎相当于一个标准足球场。
  陈亮告诉记者,评价多孔材料吸附性能的好坏,“比表面积”——单位质量物料所具有的总面积是一个非常重要的参数,“比表面积越大,意味着材料的孔越多,能够装下的东西越多,最直观的就是吸附能力越强。”
  而作为典型的多孔材料,优质活性炭的比表面积约2000平方米/克,而普通的则仅仅只有几百平方米/克。


微观的电镜图(陈亮/供图)

微观的电镜图(陈亮/供图)


  国际首创合成金属有机框架/有机硅杂化膜
  低成本高效率的分子筛分效手段可期
  金属-有机骨架材料因其具有较高比表面积和可调节的孔径结构,在气体吸附、存储、分离、催化及传感等领域具有很好的应用前景。课题组在对该材料金属位点进行过渡金属掺杂改性后,在国际首创将其与有机硅合成杂化膜材料。
  “相比于颗粒状的多孔吸附材料,杂化膜更有应用前景。”陈亮表示,例如在页岩气提纯工艺中,筛分效应往往被用于甲烷与二氧化碳的分离,“杂化膜能够充分利用二氧化碳和甲烷分子直径不同,通过控制多孔材料孔径对两者进行分离。”
  陈亮还介绍说,作为成果最大创新点,将金属有机骨架材料与有机硅制备成杂化膜后的厚度十分“薄”,大约仅为50~150纳米,从而保证了气体透过性好、效率高,“相比于传统的变压吸附等气体分离技术,极大的节约了能耗,降低了工艺复杂度。”
  基于该技术,课题组在企业合作上更是迈出了坚实一步:与赢创德固赛(中国)开展项目合作,并联合成立石油和化工行业“膜法CO2分离技术工程研究中心”,陈亮也担任该中心技术委员会主任。