Nature子刊：二維MXene分子篩膜實現H2/CO2的高效分離

【引言】??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

逐漸發展起來的二維（2D）膜具有充足和均勻的納米通道，可以打破分離過程中滲透率-選擇性之間的平衡限制（trade-off），二維材料也成為氣體高效分離的理想材料，并且為分離膜的發展提供了新思路。通常，二維層狀膜由相鄰二維納米片堆疊形成，其間的層間納米通道提供傳質分離途徑。然而，二維納米片的隨機堆疊形成的無序層間納米通道卻不利于氣體的高效分離。因此，制備高度有序的二維納米通道結構，實現快速精確的分子篩分，對于層狀膜而言仍然是重大的挑戰。

【成果簡介】

近日，華南理工大學王海輝教授和德雷賽爾大學Yury Gogotsi教授（共同通訊作者）團隊在Nat. Commun.雜志在線發表了一篇題為“MXene molecular sieving membranes for highly efficient gas separation ”的文章，介紹了一種具有高度有序的亞納米通道二維層狀分子篩膜MXene，利用MXene納米片表面豐富且分布均勻的末端基團支撐形成高度有序的二維層狀納米孔道，實現快速、精準的氣體分離能力：H₂滲透通量達到2200 Barrer，H₂/CO₂的分離選擇性達到160；并利用分子動力學定量模擬驗證實驗結果。

【圖文導讀】

圖1. 剝離的MXene(Ti₃C₂T_X)納米片的形態結構和堆疊型MXene膜的形貌和結構表征

a） 置于多孔氧化鋁上MXene納米片的SEM圖（插圖為MXene膠體溶液的丁達爾散射效應展示圖，標尺：1 μm）；

b） MXene納米片的HRTEM照片（插圖為SAED表征，標尺：5 nm）；

c） MXene納米片在裂解云母上的AFM表征，納米片層高度與藍色虛線對應（標尺：500 nm）；

d） MXene膜表面的SEM表征（插圖為MXene膜的照片）；

e） MXene膜的橫截面的SEM圖像（標尺：1 μm插圖為MXene膜彎曲的照片）；

f） 具有2維通道的MXene膜橫斷面的TEM圖（標尺：10 nm）；

g） MAX（Ti₃AlC₂）粉末和MXene（Ti₃C₂T_X）膜的XRD譜圖；

h） 分子篩膜上相鄰納米片層間距示意圖。

圖2. MXene膜氣體分離性能的分子動力學模擬與實驗結果比較

a） 單分子氣體透過2μm厚的MXene膜的滲透系數與氣體動力學直徑的函數關系（25℃，1bar），插圖為單分子氣體和等摩爾比混合氣體滲透研究中H₂相對于其他氣體的選擇性；

b） H₂/CO₂和H₂/N₂單一氣體和混合氣體滲透選擇性實驗結果和MD模擬結果比較；

c） MD模擬通過MXene膜的氣體分子的數量與單分子氣體滲透時間的函數；由于H₂的快速滲透，僅顯示模擬的前10 ns的數據；在CO₂或N₂的200 ns長的模擬中，只有兩個分子通過MXene膜，由于CO₂在MXene膜上的吸附-解吸而出現曲線的波動;

d） （H₂+CO₂）和（H₂+N₂）兩種混合氣體在滲透系統中0，30，100和300 ns等時間點下的模擬快照；其中H₂利用聯合原子力場模擬，MXene膜由兩個納米片組成，自由間隔（0.35nm）位于模擬系統中間；在開始時（t = 0 ns），進料室中存在30個H₂和30個CO₂（或N₂）分子，其通過MXene膜滲透到抽空的滲透室。

圖3. MXene膜的氣體分離性能

a） 單組份氣體透過不同厚度MXene膜的分離性能（25℃，1bar）；

b） 等摩爾H₂/CO₂混合氣體透過2 μm厚的MXene膜時分離性能與溫度的關系；

c） 2 μm厚的MXene膜分離等摩爾H₂/CO₂混合氣體的穩定性測試（25℃，1bar）；

d） MXene膜與現有的氣體分離膜對H₂/CO₂分離性能的比較（黑線：2008年高分子膜分離H₂/CO₂混合氣體的Robeson上限；橙色虛線：截至2017年現有的膜分離技術用于H₂/CO₂混合氣體分離的Robeson上限）。

【小結】

將具有二維結構和物理化學性質可調的MXene二維材料開發為新型分子篩膜為膜分離領域提供了激動人心的機會。現在已經有30多類MXenes材料可以使用，并且還有幾十個MXenes可以制備出來，這為進一步提高其分離性能提供了很大的空間。本文研發的MXene膜對于氣體的分離是十分重要的，例如甲醇重整過程中的H₂凈化，零排放化石燃料發電過程中CO₂捕集，氨生產中H₂回收等。此外，文章還展示了關于二維分子篩膜結構設計的新概念，即：采用高度有序的二維納米通道，可以實現快速、精確的分子篩分，突破trade-off限制，提高分離效率。

文獻鏈接：MXene molecular sieving membranes for highly efficient gas separation（Nat. Commun.，2017，DOI: 10.1038/s41467-017-02529-6）

【通訊作者及團隊簡介】

王海輝教授，1975年生，華南理工大學教授，博士生導師，杰青，英國皇家化學會Fellow。2003年畢業于中國科學院大連化學物理研究所，獲博士學位。先后在德國漢諾威大學做洪堡學者和博士后研究人員。2011年入選廣東省珠江學者特聘教授，2012年獲得國家杰出青年基金獲得者，2015年入選科技部中青年科技創新領軍人才，2016年入選英國皇家化學會Fellow。在AIChE Journal，Angwante Chemie International Edit，JACS，Advanced Materials, Chemical Science等學術期刊上，發表論文170余篇，論文被引用7499次（Google Scholar, 2017年3月29日），H因子：51，自2014年起連續入選愛思唯爾中國高被引學者（化學工程領域）

本文由材料人編輯部南渡編譯，點我加入材料人編輯部。

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