在碳達(dá)峰及炭中和背景下，實(shí)現(xiàn)二氧化碳選擇性膜分離具有重要意義。二維共價(jià)有機(jī)框架（covalent organic frameworks, COFs）材料具有永久性一維直通孔道，豐富的表面官能團(tuán)以及優(yōu)異穩(wěn)定性，在二氧化碳膜分離領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。然而，絕大多數(shù)層狀COFs孔徑大于0.8 nm，對(duì)于動(dòng)力學(xué)直徑0.3~0.4 nm范圍的小分子氣體難以實(shí)現(xiàn)精確分離，如氫氣（0.29 nm）、二氧化碳（0.33 nm）等。因此，構(gòu)建具有高效二氧化碳分離性能的純相二維COFs膜面臨巨大挑戰(zhàn)。
近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的楊維慎研究員和彭媛副研究員在前期研究基礎(chǔ)上，以三種不同表面化學(xué)性質(zhì)和孔徑的層狀COFs材料為研究對(duì)象，發(fā)展了一種弱酸性溶劑剝層輔助以溫和機(jī)械外力的方法，將其剝離為厚度~2 nm、尺寸達(dá)微米級(jí)的系列超薄納米片（圖1），并通過精確控制納米片錯(cuò)排組裝策略，成功構(gòu)建了孔徑尺寸適合二氧化碳分離的純相COFs膜，實(shí)現(xiàn)了CO2/H2混合氣中大分子CO2優(yōu)先滲透分離（圖2）。
圖1. (a) 三種COFs骨架結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)示意圖；(b-d) 三種COFs粉體SEM圖以及對(duì)應(yīng)納米片的SEM圖 (e-g) 和AFM圖 (h-j) 圖2.高性能CO2/H2分離錯(cuò)排COFs納米片膜 作者通過系統(tǒng)、深入研究認(rèn)為， COFs骨架對(duì)CO2選擇性吸附特性與納米片錯(cuò)排縮孔效應(yīng)協(xié)同作用成功誘發(fā)了氣體在膜內(nèi)表面擴(kuò)散機(jī)制，使得CO2分子優(yōu)先透過而實(shí)現(xiàn)CO2選擇性分離，分離性能達(dá)到工業(yè)應(yīng)用需求（圖3）。 圖3. (a) COFs納米片膜CO2/H2混氣分離性能；(b) 與聚合物膜、復(fù)合膜性能對(duì)比； (c) 分離穩(wěn)定性；(d) 單組分氣體滲透；(e) 不同原料濃度分離性能以及 (f) 含水原料氣下分離性能 該工作首次實(shí)現(xiàn)了純相COFs膜在CO2/H2混合氣體系中CO2的選擇性分離，為開發(fā)新型COFs氣體分離膜材料提供了一種新思路。 論文信息： Single-Phase Covalent Organic Framework Staggered Stacking Nanosheet Membrane for CO2-Selective Separation Pengyuan Wang, Yuan Peng,* Chenyu Zhu, Rui Yao, Hongling Song, Lun Kun and Weishen Yang* 論文第一作者王鵬遠(yuǎn)博士負(fù)責(zé)實(shí)施實(shí)驗(yàn)。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202106346
