对于广泛的行业来说，气体分离是工艺和产品的重要组成部分——从出于医疗目的从空气中分离氮气和氧气，到在碳捕获过程中将二氧化碳与其他气体分离，或从天然气中去除杂质。

然而，分离气体既耗能又昂贵。

“例如，在分离氧气和氮气时，你需要将空气冷却到非常低的温度，直到它们液化。然后，通过缓慢升高温度，气体将在不同点蒸发，使其中一种气体再次变成气体并分离出来，”科罗拉多大学博尔德分校化学教授兼化学系主任张伟解释说。“这非常耗能，成本高昂。”

很多气体分离都依赖于多孔材料，气体通过这些材料进行分离。这也一直是个问题，因为这些多孔材料通常只针对分离的气体类型。尝试让其他类型的气体通过它们，它们就不起作用了。

然而，在今天发表在《科学》杂志上的一项研究中，张和他的合作者详细介绍了一种新型多孔材料，这种材料可以容纳和分离多种不同的气体，由常见的、容易获得的材料制成。此外，它结合了刚性和柔韧性，允许以大大降低的能源成本进行基于尺寸的气体分离。

张勇表示：“我们正在努力让技术变得更好，并且以一种可扩展和可持续的方式对其进行改进。”

增加灵活性

长期以来，用于气体分离的多孔材料都是刚性的，并且具有亲和力——特定于要分离的气体类型。刚性使孔隙清晰，有助于引导气体分离，但也限制了可以通过的气体数量，因为分子大小各异。

多年来，张教授和他的研究小组一直致力于开发一种多孔材料，这种材料将柔性元素引入到原本刚性多孔材料的连接节点中。这种柔性使分子连接体能够振荡，或以规律的速度来回移动，从而改变材料中可进入的孔径，并使其适应多种气体。

“我们发现，在室温下，孔隙相对最大，柔性连接体几乎不动，因此大多数气体都能进入，”张说。“当我们将温度从室温升高到约 50 摄氏度时，连接体的振荡变得更大，导致有效孔径缩小，因此较大的气体无法进入。如果我们继续升高温度，更多的气体会因振荡增加和孔径进一步减小而被拒之门外。最后，在 100 度时，只有最小的气体氢气可以通过。”

张和他的同事开发的材料由小有机分子构成，与沸石最为相似，沸石是一类多孔晶体材料，主要由硅、铝和氧组成。

“它是一种多孔材料，具有许多高度有序的孔隙，”他说。“你可以把它想象成一个蜂窝。它的主要成分是固体有机材料，这些孔隙大小规则，排列整齐，形成通道。”

研究人员采用了一种相当新型的动态共价化学方法，重点研究硼氧键。他们利用一个硼原子周围有四个氧原子，利用硼和氧之间键的可逆性，这种键可以反复断裂和重新形成，从而实现自我修正、防错行为，并形成结构有序的框架。

张说：“我们希望构建具有可调性、响应性和适应性的东西，我们认为硼氧键可以成为融入我们正在开发的框架的良好组成部分，因为它具有可逆性和灵活性。”

可持续解决方案

开发这种新型多孔材料确实需要时间。

张教授说：“制作这种材料既简单又容易。困难在于一开始，当我们第一次获得这种材料时，需要了解或阐明它的结构——键是如何形成的，这种材料中的角度是如何形成的，它是二维的还是三维的。我们遇到了一些挑战，因为数据看起来很有希望，但我们不知道如何解释它。它显示了某些峰值(X射线衍射)，但我们无法立即弄清楚这些峰值对应的结构类型。”

因此，他和他的研究同事退后了一步，这可能是科学过程中一个重要但很少被讨论的部分。他们专注于包含与他们的材料中相同的反应位点的小分子模型系统，以了解分子构件在固态下是如何堆积的，这有助于解释数据。

张教授补充道，他和他的同事在开发这种材料时考虑了可扩展性，因为这种材料的潜在工业用途需要大量的材料，“我们相信这种方法具有很高的可扩展性。这些构件是商业上可获得的，而且价格不贵，所以时机成熟时，它可以被工业界采用。”

他们已为该材料申请了专利，并将继续研究其他构建块材料，以了解这种方法的底物范围。张还表示，他看到了与工程研究人员合作将该材料整合到基于膜的应用中的潜力。

“膜分离通常需要更少的能量，因此从长远来看，它们可能是更可持续的解决方案，”张说。“我们的目标是改进技术，以可持续的方式满足行业需求。”

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：