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中国学者利用化学气相沉积法制备分离膜,开发下一代碳材料膜
DeepTech深科技 / 时间:2022-10-26 14:18:11

DeepTech深科技9月26日讯:“我认为本工作最令人激动的发现,是我们实现了一种制备超薄分离膜的新方法。借助该方法,可通过单体的化学设计和反应条件的控制,实现在分子水平上对膜结构的精确调控,包括孔道尺寸、形状、化学官能团等。”南京工业大学博士毕业生、沙特阿卜杜拉国王科技大学先进膜和孔材料研究中心博士后申杰表示。

近日,其导师韩宇教授和合作者,制备出一种高通量、高选择性的超薄分子尺度分离膜。其中一位审稿人做了提纲挈领的评价:“作者设计了全新的碳材料膜,相比已有的二维材料膜,该膜具有更规整的亚纳米尺寸孔道结构,并展现超高的水和离子分离性能。”

而将该分离膜用于水和离子分离,还只是一个开始。可以预见的是,未来会有更多超薄膜可以通过这一方法被设计和制备,从而为开发高效膜材料、以及让其用于气体分离、有机物分离、离子分离等提供全新的平台。

同时,该团队也借此展示了一种新策略:即利用化学气相沉积法来制备超薄的共轭聚合物框架膜,从而让规整亚纳米通道的精确构筑成为现实。

由于该分离膜具备高通量、高选择性的水脱盐性能,故可给开发下一代碳材料膜,以用于分子尺度精准分离带来新思路。

该团队预想,该分离膜有望首先在水处理领域实现应用。例如,在压力驱动的纳滤或反渗透过程,该膜适用于较低操作压力 <13bar 下的水脱盐过程。

相比商业化的纳滤膜,在压力驱动下该分离膜具备相近的水渗透速率,但是离子截留率可由 ~35.6% 提升至 ~83%。对于尺寸在 1nm 左右的二价盐离子和染料分子,其截留率高至 99.1%。

基于其由浓度差驱动的正渗透过程,可将该分离膜用于食品行业如果汁浓缩[1],在农业系统可用于化肥液稀释和灌溉等。也可以将该膜与高压反渗透、膜蒸馏等膜过程进行集成,从而降低工业过程能耗。

近日,相关论文以《超薄有序共轭聚合物骨架膜的水传输和分子筛分》(Fast water transport and molecular sieving through ultrathin ordered conjugated-polymer-framework membranes)为题发在 Nature Materials 上[2]。

对于接下来的研究计划,作者表示:“基于实际应用的角度,我们正在开展如何改善抗膜污染、膜的机械性质、以及化学稳定性等研究,以期为膜的规模化应用奠定基础。其次,我们下一步将采用卷对卷化学气相沉积法开展膜的连续化、大面积生产的方法研究。”

而在基础研究方面,其将从单体分子出发,对膜孔结构、表面化学性质、半导体性质等进行精准设计,从而面向更广泛的应用体系,包括气体分离、离子筛分、单分子传感、生物电子界面等。

(本刊有删节)


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