MOF基气体分离膜实现规模化连续制造

日前, 天津大学化工学院王志教授团队等研发出一种基于“预占位—后激活”(POPA)策略的荷正电聚合物刷金属—有机框架(MOF)材料, 实现幅宽达1米的“MOF基耐压二氧化碳分离混合基质复合膜”的“卷对卷”规模化连续制造. 二氧化碳的高效分离是减排的关键环节, 膜法碳捕集技术具有能耗低, 无溶剂挥发污染, 设备可撬装集成, 占地面积小等优势. 近年来, 国内外研究者已开发出多种高性能混合基质膜, 但制备面积远不能满足工业化部署所需的膜面积要求. 制约其规模化连续制造的关键瓶颈在于“非平衡加工诱导填料失稳”难题, 即在实验室温和条件下稳定的填料分散体系, 在工业快速涂布的非平衡动态加工过程中极易失稳, 从而引发填料团聚及多尺度界面缺陷. 针对这一难题, 团队提出“预占位—后激活”策略, 开发出兼具静态分散与动态加工稳定性的荷正电聚合物刷MOF材料, 并在三个方面实现了原创性突破. 一是创新材料设计理念. 传统研究局限于实验室条件下的静态分散, 该团队提出面向膜规模化制造的填料需兼具静态与动态稳定性, 将设计逻辑从“静态稳得住”升级为“动态稳得住”. 二是开发孔道保护策略. 针对聚合物修饰易堵塞孔道, 该团队采用“预占位—后激活”策略:先利用质子化胺基预占孔道, 引导聚合物外表面接枝;再通过去质子化“后激活”, 恢复胺基活性与孔道畅通, 实现“先堵后疏”, 既构建聚合物刷层, 又保障二氧化碳高效传输. 三是构建双重稳定机制. 高荷正电框架与表面聚合物刷, 协同发挥静电—空间位阻效应, 确保静态稳定分散;自由伸展聚合物刷, 通过密集氢键与聚合物基质形成界面互锁结构, 在溶剂快速蒸发中, 自适应抵抗“聚集诱导力”, 从根本上解决动态失稳难题. 在此基础上, 王志团队与企业合作开展了工业规模的技术验证, 在自主设计的工业级“卷对卷”刮涂生产线上, 实现了幅宽达1米的“MOF基耐压二氧化碳分离混合基质复合膜”的规模化连续稳定制造. 所制膜在天然气脱碳及燃烧后碳捕集等工况下性能优异, 经系统取样与多批次验证, 展现出良好的可扩展性和均匀性. 未来, 该技术有望在工业烟道气, 天然气脱碳及合成气净化等领域发挥关键作用, 为碳捕集, 利用与封存产业链的降本增效提供技术支撑.