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乙烯/乙烷高效分离纳米限域白色石墨烯膜制备获突破
《X-MOL资讯》微信公众号 / 时间:2019-11-22 08:51:01

  据X-MOL资讯微信公众平台2019年11月16日讯 二维纳米片自组装形成的薄膜具有良好的渗透通量和分离选择性,已成为膜分离领域的研究热点,如氧化石墨烯膜(GO)、金属碳化物膜(Mxene)和金属硫化物膜(MOS2)等。氮化硼(Boron Nitride,简记作BN)纳米片,又称白色石墨烯,是由几层单原子层厚薄的六角形BN平面组成,与石墨烯具有相似的结构,广泛用于电化学能量转化与储存、电催化、柔性电子设备以及生物医药等领域。BN纳米片具有热稳定性高,苛刻条件下化学稳定性高、机械强度高和成本低等显著优势,是构筑分离膜的理想材料。但目前未见使用BN膜进行气体分离的报道。此外,BN纳米片难剥离和难于化学修饰的特点也给BN膜制备带来了挑战。
  乙烯作为基础化工原料、乙烯/乙烷的分离一直被认为是全球七大化学分离难题之一。由于相似的理化性质和分子尺寸,传统的冷冻精馏分离工艺需要巨大的设备费用和能量消耗,开发乙烯/乙烷高效分离膜迫在眉睫。
  加拿大滑铁卢大学的陈忠伟教授、天津大学的姜忠义教授和张吕鸿教授(共同通讯作者)联合报道了高效分离乙烯/乙烷混合气体的BN薄膜。BN纳米片在水平和倾斜方向上自组装形成的BN薄膜具有丰富的纳米通道,然后将含有乙烯传质载体的活性离子液(RIL)修饰在BN纳米通道内以调整孔道尺寸同时以实现纳米限域效应。与聚合物或者交联的化学修饰相比,纳米通道内浸渍RILs是一种灵活和有效的通道修饰方法。分子动力学模拟表明,RIL和BN纳米片之间的非共价作用利于RIL中的阳离子和阴离子在BN纳米通道内有序排列,构筑了乙烯快速载体传递通道。同时通过改变限域RIL的量,可精细微调纳米通道的尺寸,进而实现精密分子筛分。该方法制备的BN薄膜具有高效的分离性能,对乙烯的渗透通量高达138 GPU,乙烯/乙烷的选择性达128,且在180h内保持了稳定的分离效果。该研究激发了高性能气体分离膜的设计新思路。


乙烯/乙烷高效分离纳米限域白色石墨烯膜制备获突破


  膜制备过程分为两步:首先在商业化尼龙(Nylon)支撑膜上真空抽滤BN纳米片悬浮液,自组装得到具渗透纳米通道的BN/Nylon膜;后通过旋涂法将活性离子液体RIL浸渍在纳米通道内制备具纳米限域的RIL-BN/Nylon膜。从膜的SEM形貌表征可见,在真空抽滤后,BN纳米片在多孔基质(尼龙支撑膜)上均匀分布,水平和倾斜分布的2D BN纳米片的组装产生许多贯穿的纳米通道和裂缝状的纳米孔,极大减少了传质阻力和缩短传递路径。旋涂后,RIL被均匀地限域在BN纳米通道内构筑了无缺陷的BN-RIL/Nylon分离膜,分离层厚度约为200nm。文中也借助ATR-FTIR、Raman、XPS和分子动力学等表征方法对膜内分子间作用力和微纳米结构进行了深入揭示。


乙烯/乙烷高效分离纳米限域白色石墨烯膜制备获突破


  最后通过等摩尔乙烯/乙烷混合物分离来评估RIL-BN/Nylon膜的分离性能,研究了不同RIL含量下RIL-BN/Nylon膜的气体渗透性能,并建立了纳米通道随离子液体含量增加的演变模型。随着RIL含量增加,纳米通道有效尺寸减小,乙烯和乙烷渗透性降低,而乙烯/乙烷分离选择性增加。将RIL-BN/Nylon膜的分离性能与文献对比,发现RIL-BN/Nylon膜具较高选择性和乙烯渗透通量。此外,RIL-BN/Nylon膜还展现出优异的稳定性。这表明RIL-BN/Nylon具有良好的乙烯/乙烷分离应用前景。我们制备的具贯穿纳米通道以及纳米限域效应的BN膜,为操纵2D纳米材料实现分子快速、选择性传递提供了新视角,同时对分子分离膜的理性设计具有重要借鉴意义。


乙烯/乙烷高效分离纳米限域白色石墨烯膜制备获突破


  这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上,文章的第一作者是天津大学博士研究生窦浩桢(Boron Nitride Membranes with a Distinct Nanoconfinement Effect for Efficient Ethylene/Ethane Separation. Haozhen Dou, Bin Jiang, Mi Xu, Luhong Zhang,* Zhongyi Jiang,* Zhongwei Chen*. Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 131, 14107–14113. DOI: 10.1002/anie.201907773)。
  课题组介绍
  陈忠伟:加拿大滑铁卢大学 (University of Waterloo) 化学工程系教授、加拿大国家首席科学家(CRC-Tier 1)、加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士、国际电化学能源科学院副主席、美国化学会期刊ACS Applied Materials & Interfaces的副主编。陈忠伟院士带领一支约70人的研究团队多年来致力于燃料电池、金属空气电池、锂离子电池、锂硫电池、液流电池、钠盐电池、电化学传感器等储能材料以及储能器件的研发与创新。在Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、JACS、Nano Letters、ACS Nano等国际知名期刊发表SCI论文280余篇,目前为止,其文章已引用次数超过22,000次,最高引用超过1000次,H-index指数高达73。同时申请和授权美国和国际专利30余个,并且成功转让多项专利和成立初创公司。
  姜忠义:国家杰出青年科学基金获得者,国家“万人计划”科技创新领军人才,新世纪百千万人才国家级人选,英国皇家化学会会士。国家科技部创新团队负责人,国家基金委创新群体学术骨干。姜忠义教授主要从事膜和膜过程、纳米材料、酶催化研究。负责承担了国家重点研发计划项目、国家基金委重大项目课题等项目。现任Journal of Membrane Science,Industrial & Engineering Chemistry Research, Separation and Purification Technology等期刊编委。在Energ. Environ. Sci., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, ACS Catal., Chem. Soc. Rev.等期刊发表SCI论文550余篇,SCI引用22,000余次 (H index= 82)。获省部级科技奖一等奖两项。