分离膜与膜过程国家重点实验室，王少飞、田磊
近日，国际化学领域顶级期刊Angewandte Chemie (德国应用化学，IF=11.99)发表了我校分离膜与膜过程国家重点实验室青年教师王少飞（第一作者）、张玉忠教授与天津大学姜忠义教授、Michael D. Guiver教授的合作论文，题为“Graphene Oxide Membranes with Heterogeneous Nanodomains for Efficient CO2 Separations”（Angew.Chem. Int. Ed. 2017, 56,14246 –14251）
发展高效碳捕集技术是21世纪人类社会面临的重大挑战。使用膜材料从烟道气、天然气等混合气中高效分离CO2是实现碳捕集的重要手段。近年来，石墨烯等二维材料由于具有超薄结构、超强机械性能及孔道可调节特性，成为膜材料的研究热点。石墨烯膜在加湿环境中由于水分子的扩孔作用，拥有超高CO2分离性能，但干态下的石墨烯膜仍需要大幅度提升，其关键在于层间高效二维通道的构建。
研究团队在前期研究工作的基础上（Energy Environ. Sci., 2016, 9, 3107-3112，IF=29.51），采用了新的仿生设计思路，实现了高效传递通道的构建。小分子在膜内的快速传递需要吸附与扩散的平衡，沙漠甲虫（Stenocara beetle）背部特有的亲疏相间微区结构，可实现在干旱沙漠地区快速捕集与传递水分，为吸附扩散结构的设计提供了灵感。研究团队模仿沙漠甲虫背部结构，在氧化石墨烯的片层空间内，设计了具有亲疏相间微区的高效CO2传递通道。研究工作通过在氧化石墨烯特定位点插层小分子聚氧乙烯，并通过真空辅助抽滤制备了超薄分离层的复合膜。聚氧乙烯分子及周围区域作为亲CO2微区，可实现CO2的高效吸附；未氧化的石墨部分为非亲CO2微区，由于具有原子级的光滑，可实现CO2的快速扩散，从而实现了吸附-扩散机制的协同。同时聚氧乙烯分子可实现对片层间隙的调控。该膜CO2渗透通量为175.5 GPU，CO2/CH4选择性为69.5，是目前干态测试下文献报道的最高值，实现了氧化石墨烯膜在干态下的成功应用。该研究标志着我校膜国家重点实验室在纳米通道膜构建方面的重大突破，研究得到了国家自然科学基金、天津市科技计划项目等资助。（审核：膜国家重点实验室 何本桥）
图1 (a) 本项目设计的膜结构及传递特性示意图，（b）沙漠甲虫背部亲疏水相间结构
文章链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201708048/full