眾所周知，使用膜來分離化學(xué)品比蒸餾或吸收等過程要有效得多，但在滲透性（氣體能以多快的速度穿透材料）和選擇性（讓所需分子通過而阻擋所有其他分子）的能力之間一直存在著權(quán)衡。研究人員說，基于 “hydrocarbon ladder”聚合物的新的膜材料系列克服了這種權(quán)衡，同時提供了高滲透性和極好的選擇性。

這些發(fā)現(xiàn)于3月24日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，論文作者包括斯坦福大學(xué)化學(xué)系副教授夏巖、麻省理工學(xué)院化學(xué)工程系副教授Zachary Smith、阿卜杜拉國王科技大學(xué)教授Ingo Pinnau和其他五人。

氣體分離是一個重要而廣泛的工業(yè)過程，其用途包括從天然氣或沼氣中去除雜質(zhì)和不受歡迎的化合物，從空氣中分離氧氣和氮?dú)庥糜卺t(yī)療和工業(yè)用途，從其他氣體中分離二氧化碳用于碳捕獲，以及生產(chǎn)氫氣作為無碳交通燃料使用。新的聚合物膜顯示出大幅提高此類分離過程的性能的前景。例如，從甲烷中分離二氧化碳，這些新膜的選擇性是現(xiàn)有纖維素膜的5倍，滲透性是現(xiàn)有纖維素膜的100倍。同樣，在從甲烷中分離氫氣方面，它們的滲透性是100倍，選擇性是3倍。

夏巖實(shí)驗(yàn)室的研究人員在過去幾年中開發(fā)的新型聚合物被稱為“梯形”聚合物，因?yàn)樗鼈兪怯深愃铺菪蔚逆I連接的鏈形成的，這些鏈為聚合物材料提供了高度的剛性和穩(wěn)定性。這些梯形聚合物是通過夏巖實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種高效和有選擇性的化學(xué)方法合成的，這種方法被稱為CANAL，它將容易獲得的化學(xué)品縫合成具有數(shù)百甚至數(shù)千個梯級的梯形結(jié)構(gòu)。這些聚合物是在溶液中合成的，它們在溶液中形成了堅(jiān)硬和扭結(jié)的帶狀鏈，可以通過使用工業(yè)上可用的聚合物澆鑄工藝輕松地制成具有亞納米級孔隙的薄片。所產(chǎn)生的孔隙的大小可以通過選擇特定的碳?xì)浠衔锲鹗蓟衔镞M(jìn)行調(diào)整。夏巖說：“這種化學(xué)和化學(xué)構(gòu)件的選擇使我們能夠制造出具有不同結(jié)構(gòu)的非常堅(jiān)硬的梯形聚合物。”

為了將CANAL聚合物用作選擇性膜，該合作利用了夏巖在聚合物方面的專業(yè)知識和Smith在膜研究方面的專長。斯坦福大學(xué)的前博士生Holden Lai進(jìn)行了大部分的開發(fā)和探索，研究其結(jié)構(gòu)如何影響氣體滲透特性。夏巖說：“從開發(fā)新化學(xué)到找到賦予高分離性能的正確聚合物結(jié)構(gòu)，我們花了八年時間。”

夏巖實(shí)驗(yàn)室在過去幾年里改變了CANAL聚合物的結(jié)構(gòu)，以了解其結(jié)構(gòu)如何影響其分離性能。令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)在原來的CANAL聚合物上增加額外的扭結(jié)，大大改善了其膜的機(jī)械堅(jiān)固性，并提高了其對尺寸相似的分子（如氧氣和氮?dú)猓┑倪x擇性，而不會失去對更易滲透的氣體的滲透性。選擇性實(shí)際上隨著材料的老化而提高。研究人員說，高選擇性和高滲透性的結(jié)合使這些材料在許多氣體分離中超過了所有其他聚合物材料。

今天，全球能源使用的15%用于化學(xué)分離，而這些分離過程“往往是基于百年前的技術(shù)”。Smith說。“它們工作得很好，但它們有巨大的碳足跡并消耗大量的能源。今天的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是試圖取代這些不可持續(xù)的工藝。”他補(bǔ)充說，這些工藝中的大多數(shù)都需要高溫來煮沸和重煮溶液，而這些往往是最難電氣化的工藝。

他說，對于從空氣中分離氧氣和氮?dú)鈦碚f，這兩個分子的大小只相差大約0.18埃。要制造一個能夠有效分離它們的過濾器，“在不降低產(chǎn)量的情況下是非常困難的”。但新的梯形聚合物在制造成膜時產(chǎn)生了微小的孔隙，實(shí)現(xiàn)了高選擇性，他說。在某些情況下，每一個氮?dú)饪梢詽B透10個氧分子，盡管獲得這種類型的尺寸選擇性需要一個極薄的篩子。這些新的膜材料具有“所有已知聚合物材料中最高的滲透性和選擇性組合，適用于許多應(yīng)用”，Smith說。

他補(bǔ)充說：“由于CANAL聚合物很強(qiáng)且具有延展性，而且它們可溶于某些溶劑，因此它們可以在幾年內(nèi)按比例用于工業(yè)部署。”由這項(xiàng)研究的作者領(lǐng)導(dǎo)的一家名為Osmoses的麻省理工學(xué)院衍生公司最近贏得了麻省理工學(xué)院10萬美元的創(chuàng)業(yè)競賽，并得到了The Engine的部分資助，以使該技術(shù)商業(yè)化。

Smith表示，這些材料在化學(xué)加工行業(yè)有多種潛在的應(yīng)用，包括將二氧化碳從其他氣體混合物中分離出來作為一種減排形式。另一種可能性是凈化由農(nóng)業(yè)廢品制成的沼氣燃料，以提供無碳交通燃料。用于生產(chǎn)燃料或化學(xué)原料的氫氣分離也可以有效地進(jìn)行，有助于向以氫氣為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)過渡。

這個緊密相連的研究團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)完善該工藝，以促進(jìn)從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)規(guī)模的發(fā)展，并更好地了解大分子結(jié)構(gòu)和包裝如何導(dǎo)致超高選擇性的細(xì)節(jié)。Smith說，他預(yù)計這項(xiàng)平臺技術(shù)將在多種脫碳途徑中發(fā)揮作用，首先是氫氣分離和碳捕獲，因?yàn)闉榱诉^渡到無碳經(jīng)濟(jì)，對這些技術(shù)有如此迫切的需求。

“這些是令人印象深刻的新結(jié)構(gòu)，具有出色的氣體分離性能，”佐治亞理工學(xué)院化學(xué)和生物分子工程副教授Ryan Lively說，他沒有參與這項(xiàng)工作。“重要的是，這種性能在膜老化過程中以及當(dāng)膜受到高濃度氣體混合物的挑戰(zhàn)時得到了改善。......如果他們能夠擴(kuò)大這些材料的規(guī)模并制造出膜組件，就會有重大的潛在的實(shí)際影響。”