超薄氧化石墨烯气体分离膜中非选择性孔的修补及其氢气分离性能研究

氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)被公认为一种理想的超薄气体分离膜材料,利用GO薄片中选择性孔及其层间距构筑纳米级长度的气体分子传输通道,有望突破目前气体分离膜渗透性和选择性难以兼顾的限制。然而,受GO薄片中孔径分布不均匀性的限制,高分离选择性超薄GO气体分离膜的制备仍然存在较大困难。

氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)被公认为一种理想的超薄气体分离膜材料,利用GO薄片中选择性孔及其层间距构筑纳米级长度的气体分子传输通道,有望突破目前气体分离膜渗透性和选择性难以兼顾的限制。然而,受GO薄片中孔径分布不均匀性的限制,高分离选择性超薄GO气体分离膜的制备仍然存在较大困难。

针对该技术难题,新加坡国立大学化工系赵丹教授研究团队在前期开发“冷冻-融化”剥离GO技术的基础上,创新性提出了GO薄片孔区域选择性共生微孔金属-有机框架化合物(Metal-Organic Framework, MOF)材料的方法,利用MOF晶体规则的孔结构实现对超薄GO气体分离膜孔径大小的定向调控(Figure 1),在避免膜通量大幅度衰减的同时,显著提高膜的分离选择性,以满足工业气体分离的要求。

超薄氧化石墨烯气体分离膜中非选择性孔的修补及其氢气分离性能研究

Figure 1 气体分子透过微孔MOF修复GO过程示意图

该团队研究了超薄GO气体分离膜表面共生ZIF-8晶体以修复其非选择性孔道,并对ZIF-8修复GO气体分离膜的氢气分离性能进行研究。GO薄片表面和边缘的羟基、羧基等含氧基团通过与金属离子的配位作用,将Zn2+选择性固载于超薄GO气体分离膜表面,然后再引入2-甲基咪唑配体与Zn2+配位,从而达到ZIF-8晶体在GO膜表面的选择性受限生长,以实现对GO气体分离膜非选择性孔道的修补(Figure 2)。利用共生ZIF-8晶体修补后,GO气体分离膜的氢气渗透通量为240 GPU,相对于初始GO气体分离膜仅降低了12.5 %,而对等摩尔H2/CO2、H2/N2和H2/CH4混合气的分离选择性却分别提高至406、155和335。该研究成果为高性能超薄GO气体分离膜的高效制备提供了一种简便方法,在氢气分离纯化与回收领域具有广泛的应用前景,被选为后封面文章在《化学通讯》(Chemical Communications)杂志上报道。

超薄氧化石墨烯气体分离膜中非选择性孔的修补及其氢气分离性能研究

Figure 2 微孔MOF修复GO缺陷流程示意图

该论文作者为:Xuerui Wang, Chenglong Chi, Jifang Tao, Yongwu Peng, Shaoming Ying, Yuhong Qian, Jinqiao Dong, Zhigang Hu, Yuandong Gu, Dan Zhao

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/cc/c6cc02013e

Improving the hydrogen selectivity of graphene oxide membranes by reducing non-selective pores with intergrown ZIF-8 crystals

Chem. Commun.201652, 8087-8090, DOI: 10.1039/C6CC02013E

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