Научно-исследовательской группе профессора Шао Лу из Института химии и химических технологий Харбинского политехнического университета (ХПУ), члена Государственной лаборатории городских и сельских водных ресурсов и водной среды, удалось синтезировать полимерную сплетённую металлоорганическую каркасную стеклянную мембрану. Результаты исследования были опубликованы в журнале Journal of the American Chemical Society в статье «Синтез полимерных сплетённых металлоорганических каркасных стеклянных мембран для сверхустойчивого улавливания углерода под давлением». Данное достижение расширяет инструментарий для синтеза функционального металлоорганического каркасного стекла и открывает новые пути для разработки газоразделительных мембран следующего поколения для.
Металлоорганическое каркасное стекло, поддающееся жидкой обработке, открыло перспективы создания энергоэффективных мембран для улавливания углерода. Однако использование таких стеклянных мембран по-прежнему сопряжено с проблемами плохой связанности пор, недостаточной пористости и низкой устойчивости к давлению, что ограничивает их практическое применение в таких областях, как декарбонизация дымовых газов и очистка природного газа.
Для решения этих проблем научно-исследовательская группа, взяв за основу принцип структуры природной паутины, синтезировала новый класс полимерных металлоорганических каркасных стёкол (pw-MOF glass). В процессе плавления сплетённый полимер предотвращает деформацию кристаллической решётки, одновременно с этим происходит эволюция разделения нанофаз на границе раздела (Nano-IS), что эффективно регулирует кинетическую эффективность массопереноса и термодинамический эффект полярной адсорбции. Новые синтезированные полимерные сплетённые металлоорганические каркасные стеклянные мембраны содержат взаимосвязанную сеть сквозных каналов субнанометрового размера. Высокая плотность полярных доменов вдоль полимерных цепей обеспечивает превосходную адсорбционную способностью, что значительно повышает эффективность разделения при улавливании углерода. Благодаря уникальной усиленной структуре каркаса, данные мембраны демонстрируют беспрецедентную устойчивость к давлению, выдерживая до 7,5 атмосфер (в то время как прочие существующие металлоорганические каркасные стеклянные мембраны выдерживают лишь около 1 атмосферы). Потенциальные области применения данной технологии охватывают очистку инертных газов, обработку отходящих газов и другие процессы низкоуглеродного разделения, затрагивая междисциплинарные области мембранной науки, химической инженерии, химии материалов, физической химии, нанонауки и экологической инженерии.
Синтез стеклянной мембраны pw-MOF:
схема превращения кристалла pw-MOF в стеклянную мембрану по механизму «твёрдое-жидкое-твёрдое»;
процесс постепенной оптимизации стеклянной мембраны pw-MOF;
схема механизма разделения нанофаз на границе раздела (Nano-IS) в мембране;
(D) сравнение производительности с другими передовыми материалами для улавливания углерода
Харбинский политехнический университет является первой организацией-корреспондентом статьи. Аспирант Ян Янь из Института химии и химических технологий ХПУ является первым автором статьи. Профессор Шао Лу, младший научный сотрудник Цзян Сюй и доктор Чжэн Чжэсянь (Cher Hon Lau) из Инженерной школы Эдинбургского университета являются ответственными авторами статьи. В исследовательской работе также приняли участие магистранты Лю Вэйхао, Го Лэй, студент бакалавриата Хао Цзинъянь и другие.
Исследование выполнено при поддержке Национальной ключевой программы исследований и разработок Китая, Государственного фонда естественных наук Китая, фонда фундаментальных научных исследований центральных университетов при Министерстве образования КНР и других источников.