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研究背景

氢气（H₂）作为一种清洁的能源载体，因其无碳排放的特性，成为了可再生能源转型中的重要组成部分。氢气的生产通常通过化石燃料重整及水煤气变换（WGS）反应生成，而随后的氢气纯化和CO₂分离过程是其中的重要环节。然而，现有的氢气分离技术仍面临着高能源消耗和高成本的问题，尤其是在加压条件下，膜材料的选择性和稳定性经常受到挑战。因此，开发具有高效分离性能和低能源消耗的氢气/二氧化碳（H₂/CO₂）分离膜成为了研究的热点。

目前，基于二维材料的膜，尤其是金属有机框架（MOF）膜，因其优异的气体分离性能受到广泛关注。然而，这些膜的制备通常需要高温、有机溶剂和较长的合成时间，且在加压条件下，常因存在缺陷或运输通道不稳定，导致H₂/CO₂选择性下降。为了解决这些问题，研究人员提出了一种基于Zn₂(bim)₄的二维膜材料，具有小孔径和可调的分子筛效应，能够在高温高压条件下稳定地分离氢气和二氧化碳。

成果简介

有鉴于此，洛桑联邦理工大学Kumar Varoon Agrawal教授团队在Science Advances期刊上发表了题为“High-performance H2/CO2 separation from 4-nm-thick oriented Zn2(benzimidazole)4 films”的最新论文。研究表明，通过简单且环保的方法，可以在室温下合成超薄的Zn₂(bim)₄膜，膜厚仅为4 nm，且具有优异的H₂选择性渗透性能。这些膜的合成过程采用水作为溶剂，合成时间仅需10分钟，显著提高了膜的制备效率，同时消除了缺陷和堆叠问题。此种新型膜材料在加压条件下仍表现出优异的H₂/CO₂分离性能，展现出广阔的应用前景，尤其适用于预燃烧捕集等高效分离领域。

做的注意的是，今年8月，洛桑联邦理工学院Kumar Varoon Agrawal课题组展示了在室温下将氨气简单地暴露在氧化的单层石墨烯中，并在孔边缘引入吡啶氮。这导致了CO2与孔隙的高度竞争但定量可逆的结合！

此外，本文的第一作者Shuqing Song是天津大学校友。

研究亮点

1. 实验首次合成了超薄、互生的Zn₂（bim）₄薄膜，得到了厚度仅为4 nm的高性能膜材料。该膜通过简单、环保的水溶液合成方法，在室温下以10分钟的合成时间制备而成。

2. 实验通过使用超稀前体溶液，延迟了成核过程，促进了Zn₂(bim)₄薄膜在平滑石墨烯基底上的快速平面生长，避免了常规合成方法中的缺陷生成。通过这种方式，薄膜具有优异的结构完整性，且无针孔缺陷。

3. 实验展示了该Zn₂(bim)₄膜在加压条件下的高选择性渗透性能，尤其在H₂/CO₂分离方面表现出了显著的优势。该膜在高压条件下的H₂选择渗透性优于传统的金属有机框架（MOF）膜，并且在高温和高压下仍能保持良好的性能。

4. 实验结果表明，这种快速绿色合成方法与高性能分离效果的结合，使得Zn₂(bim)₄薄膜具有广泛的应用潜力，尤其适用于预燃烧捕集过程，具有显著的能源成本降低优势。

图文解读

图1. Zn₂(bim)₄及MOF薄膜制备过程示意图。

图2. 2D Zn₂(bim)₄薄膜的结构解析。

图3. Zn₂(bim)₄薄膜在HOPG上的平面外延生长。

图4. 2D Zn₂(bim)₄膜的高性能H₂/CO₂分离。

结论展望

本文通过开发一种简便、绿色、低温的合成方法，成功制备了高均匀性、结晶性良好的Zn₂(bim)₄膜，为MOF薄膜的工业化应用提供了新的思路。与传统的高温或有机溶剂方法相比，该方法使用水作为溶剂，合成时间短，显著提高了环境可持续性，体现了绿色化学的应用前景。其次，薄膜在平面内的互生生长有效消除了结构缺陷，确保了其在加压条件下的高效H₂/CO₂分离性能。这一发现表明，精确控制MOF薄膜的结晶生长和缺陷结构对于提升膜性能至关重要。此外，研究表明，该薄膜合成方法不仅适用于Zn₂(bim)₄，也为其他MOF材料的2D薄膜形态的设计与应用提供了可借鉴的经验。总之，本文的工作为MOF薄膜的高效气体分离提供了新的解决方案，并为其在能源、环境保护等领域的实际应用奠定了基础。

文献信息

Shuqing Song et al. ,High-performance H2/CO2 separation from 4-nm-thick oriented Zn2(benzimidazole)4 films.Sci. Adv.10,eads6315(2024).