近日，南京工業(yè)大學金萬勤教授團隊在分離膜領域取得新進展，采用固態(tài)溶劑法制備出超薄超高摻雜量的混合基質(zhì)膜。該成果在線發(fā)表在國際期刊《科學》上。
據(jù)介紹，膜技術(shù)具有分離能耗低等優(yōu)勢，但其發(fā)展普遍受限于滲透性和選擇性的制約關(guān)系，將高性能無機填料摻雜在聚合物中制備混合基質(zhì)膜，有望突破這一瓶頸。然而，面臨填料團聚和界面缺陷的重大挑戰(zhàn)，混合基質(zhì)膜仍未大規(guī)模應用。
金萬勤團隊是國際上較早開展混合基質(zhì)膜研究的團隊之一。“我們提出將聚合物作為固態(tài)溶劑，溶解填料的前驅(qū)體并將其涂覆在多孔載體表面形成超薄膜層，而后將聚合物中的前驅(qū)體原位轉(zhuǎn)化成填料。”南京工業(yè)大學陳桂寧博士介紹。區(qū)別于傳統(tǒng)的“合成填料—分散填料—填料與聚合物混合”制備混合基質(zhì)膜的復雜工藝，該方法僅需在聚合物中溶解高含量前驅(qū)體，即可實現(xiàn)高含量填料的均勻超薄化摻雜，同時以填料為主體相的新型混合基質(zhì)膜結(jié)構(gòu)有利于填料之間形成貫穿孔道，為分子提供超快傳輸通道。
實驗表明，采用固態(tài)溶劑法制備的混合基質(zhì)膜厚度僅為50納米，填料摻雜量高達80%以上，實現(xiàn)了膜滲透性和選擇性數(shù)量級的提升。基于超薄膜層和填充的貫穿篩分孔道，該混合基質(zhì)膜表現(xiàn)出類無機膜(純填充相)的優(yōu)異分離性能，氫氣/二氧化碳分離性能高出現(xiàn)有聚合物膜和混合基質(zhì)膜1～2個數(shù)量級。
“固態(tài)溶劑法主要依靠聚合物膜的加工制備技術(shù)，因此易于放大制備成超薄的平板型和中空纖維型混合基質(zhì)膜。”南京工業(yè)大學劉公平教授說，該方法適用于不同類型的填料和聚合物基質(zhì)，表現(xiàn)出良好的規(guī)模化制備前景與膜材料普適性。
“研究首次從實驗上證明了超薄超高摻雜混合基質(zhì)膜的可行性，也為發(fā)展基于納米材料的超薄分離膜及功能涂層提供了新思路和理論技術(shù)基礎。”金萬勤介紹。該混合基質(zhì)膜在碳捕集等過程極具應用潛力，有望助力我國“雙碳”目標的實施。在國家重點研發(fā)項目的資助下，該團隊正在開展混合基質(zhì)膜的放大制備與應用技術(shù)研究。
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