在應(yīng)對(duì)全球氣候變暖和能源轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)中，高效碳捕集技術(shù)成為了科技界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)。

傳統(tǒng)碳捕集方法往往面臨能耗高、效率低等問(wèn)題，而新型材料的研發(fā)則為這一領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的突破。

今天，我們要介紹的是一項(xiàng)由國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)共同完成的創(chuàng)新成果——聚合物編織金屬有機(jī)框架玻璃膜（pw-MOF），該成果發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)雜志》，為碳捕集技術(shù)開辟了新的路徑。

自然靈感的啟迪：蜘蛛絲的啟示

研究團(tuán)隊(duì)的靈感源自自然界中蜘蛛絲的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。蜘蛛絲以其卓越的強(qiáng)度和韌性聞名，這得益于其內(nèi)部剛性β-晶態(tài)域與柔性無(wú)定形鏈在納米尺度上的巧妙編織。受此啟發(fā)，科研人員設(shè)想將類似的結(jié)構(gòu)引入到金屬有機(jī)框架（MOF）玻璃膜中，以期解決傳統(tǒng)MOF膜在壓力耐受性和孔隙連通性方面的不足。

創(chuàng)新材料：聚合物編織MOF玻璃膜

通過(guò)精密的分子編織技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功合成了pw-MOF玻璃膜家族。

在這一過(guò)程中，聚合物鏈與MOF晶體通過(guò)控制糾纏的方式結(jié)合，形成了具有周期性有序孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。這種獨(dú)特的編織結(jié)構(gòu)不僅增強(qiáng)了膜的機(jī)械強(qiáng)度，還顯著提高了其抗壓力變形能力。

關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

卓越的壓力耐受性：與傳統(tǒng)MOF膜在1atm下易失效不同，pw-MOF玻璃膜展現(xiàn)了前所未有的7.5atm壓力耐受性，為高壓條件下的碳捕集提供了可能。

優(yōu)異的分離性能：在CO?/N?和CO?/CH?系統(tǒng)中，pw-MOF玻璃膜的CO?滲透性和選擇性均達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的水平，超越了2019年的上限標(biāo)準(zhǔn)。

長(zhǎng)效穩(wěn)定性：經(jīng)過(guò)500小時(shí)的連續(xù)測(cè)試，膜性能保持穩(wěn)定，證明了其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和耐久性。

技術(shù)突破：納米相界面分離與極性吸附

在熔融過(guò)程中，編織的聚合物鏈有效防止了MOF晶格的變形，同時(shí)促進(jìn)了納米相界面分離（Nano-IS）的演化。這一過(guò)程不僅優(yōu)化了質(zhì)量傳遞效率，還增強(qiáng)了熱力學(xué)極性吸附效應(yīng)。膜內(nèi)形成的連續(xù)亞納米級(jí)氣體傳輸通道和高密度極性域，為CO?等極性氣體提供了優(yōu)先吸附和傳輸?shù)穆窂剑瑥亩鴮?shí)現(xiàn)了高效的氣體分離。

應(yīng)用前景與展望

pw-MOF玻璃膜的出色性能使其在能源效率碳捕集領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

無(wú)論是煙道氣脫碳還是天然氣增值，該技術(shù)都有望成為減少溫室氣體排放、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵手段。

此外，其獨(dú)特的壓力耐受性和長(zhǎng)效穩(wěn)定性也使其適用于小型工業(yè)污染源或緊湊型廢氣處理裝置，為碳捕集技術(shù)的普及和應(yīng)用提供了新的可能性。

結(jié)語(yǔ)

聚合物編織金屬有機(jī)框架玻璃膜的研發(fā)成功，不僅標(biāo)志著材料科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，也為全球碳捕集技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。

隨著研究的深入和技術(shù)的不斷完善，我們有理由相信，這一創(chuàng)新材料將在未來(lái)的能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮重要作用。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c17503

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