当前的能源危机促使了新能源开发和新型储能/转化器件的快速发展。膜，不仅为清洁能源的纯化提供了一个先进的分离平台，而且为可充电电池和燃料电池的稳定高效运行提供了保障。值得注意的是，二维（2D）材料分离膜因其高机械/化学稳定性、低传质阻力、精确的尺寸筛分能力和表面丰富的可改性官能团而在能源领域中展现出优异的性能。华东理工大学徐至教授团队在Green Energy & Environment 上发表了题为“Two-dimensional material separation membranes for renewable energy purification, storage, and conversion”的综述，重点介绍了基于氧化石墨烯(GO)、MXenes、二维MOF、二维COF和二维沸石纳米片的二维膜在膜分离过程（H₂和生物燃料纯化）和电池隔膜（燃料电池、全钒液流电池和锂硫电池）中的最新研究进展。并从层间通道主导的二维膜（GO和MXenes）和孔道主导的二维膜（MOFs、COFs 和沸石纳米片）两方面简要阐述了二维膜的传质机理、分离机理和改性方法。最后，展望了二维分离膜应用在能源领域中的前景和挑战。

1.     背景介绍

近些年，膜技术被认为是一种先进且可持续的方法，为促进新能源从生产到利用（包括膜分离和电池隔膜）的进一步发展提供了重要策略。随着石墨烯的兴起，二维材料及二维材料膜在能源领域的应用越来越多的受到研究者的关注。二维膜可以提供高效的分离平台，同时也可以保证电池的稳定和高效的运行，被认为是解决当前能源问题的重要基础。在此，我们围绕新能源对高性能膜的需求，尝试总结二维膜的最新进展，进一步强调二维膜在各个领域的作用。

2.     二维膜用于可再生能源的纯化

氢能被视为是21世纪最有前景的清洁能源，而氢气的纯化是氢能汽车商业化的重要瓶颈问题之一。同时杂质分子与氢气分子之间较小的尺寸差异（H₂: 0.289 nm, CO₂: 0.33 nm, N₂: 0.364 nm, CH₄: 0.38 nm）使得氢气的进一步纯化更加困难。此外，通过生物质的ABE (acetone−butanol−ethanol) 发酵过程得到的生物乙醇及生物丁醇为未来清洁能源的利用带来了新的方向。然而，在发酵过程中丁醇易导致微生物失活，同时乙醇/丁醇与水之间会形成二元共沸体系，给生物乙醇/丁醇的纯化带来了挑战。二维膜的精确尺寸筛分能力和结构稳定性有助于从气体混合物中实现氢气的纯化以及通过渗透气化过程得到高纯生物燃料。因此，基于二维材料的诸多方法，例如分子交联（如硫脲、草酸和二胺分子等）、化学还原、纳米片交错堆叠、化学交联（形成化学键、配位效应或范德华力）、多功能基团改性以及表面/层间改性，使得基于二维膜的分离效率和长期稳定的进一步提高成为了可能。

图1. 用于H₂ 和生物燃料纯化的膜分离过程

3.     二维膜用于可再生能源的储存与转化

此外，值得注意的是，膜在二次电池中也发挥着重要作用。电化学储能与转化是氢、生物燃料等新能源从生产到利用的直接途径。燃料电池将H₂、CH₄及C₂H₅OH等燃料与O₂反应产生的化学能转化为电能，而二次电池（包括液流电池、Li-S电池）经历反复可逆的充电/放电过程，使其具有更适合作为大规模储能的潜力。通常，它们由电极、电解质和膜组成。膜将阴极和阳极分隔开以防止电解液交叉混合和短路，并提供快速且均匀的离子或质子传输通道。尽管膜不参与电极反应，但它们的结构和稳定性会严重影响电池的性能，包括能量/电流密度、循环寿命和安全性。由于可控的层间距/孔径和丰富的官能团，基于GO、MXenes、MOF、COF和沸石纳米片的二维材料膜可以成为电池隔膜的有巨大应用潜力的研究对象，以获得高质子/Li+ 电导率和选择性。通过对二维材料的层间及表面修饰，实现膜从机械性能、传质通道及分离能力等方面的提高，以便更好的满足电池隔膜的基本需求。

2. 用于燃料电池、全钒液流电池和锂硫电池的二维膜

4.     总结与展望

能源危机推动了新能源和大规模储能/转换技术的发展。膜作为新兴的分离技术和不可或缺的能源器件组成部分，广泛应用于新能源的生产和利用过程。在本文中，我们总结了在用于氢气/生物燃料净化、可充电电池和燃料电池的二维材料膜方面取得的最新进展。

另外，本文从二维膜的分离机理、二维材料的可控合成及制备、二维材料的拓展应用、二维MOF及沸石膜在PV过程及气体分离领域的挑战和二维膜与电极的耦合过程等角度提出了新的挑战和展望。基于以上问题的讨论，利用先进的方法和巧妙的设计，具有优异性能二维材料膜将有望超越目前的上限，并在新能源纯化、储存、转换和许多其他应用中发挥重要作用。

最后，感谢国家自然科学基金项目等项目的支持。

5.     文章信息

本文以“Two-dimensional material separation membranes for renewable energy purification, storage, and conversion”为题发表在Green Energy & Environment期刊，第一作者为华东理工大学代立恒博士和南京工业大学黄康副教授，通讯作者为华东理工大学徐至教授。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.09.015

6.     作者简介

代立恒

代立恒，华东理工大学化工学院博士研究生。2018年在华东理工大学化工学院取得工学学士学位。2018年至今在华东理工大学攻读博士学位。课题主要围绕二维材料膜的设计制备及其在渗透气化及质子传导方面的研究。以第一作者在Angew Chem Int Ed., Green Energy Environ.上发表论文两篇。

 黄康

黄康，博士，南京工业大学化工学院副教授，硕士生导师，分别于2011年和2016年在南京工业大学化工学院获得学士学位和博士学位；2015年至2019年，先后在英国曼彻斯特大学国家石墨烯中心交流访问以及英国帝国理工学院化工系从事博士后研究。主要从事膜制备与应用研究，在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., J. Membr. Sci., AIChE J., Green Energy Environ.等期刊上发表SCI论文20余篇，授权发明专利3项，主持国家自然科学基金1项，获江苏省优秀博士学位论文等荣誉若干。

徐至 

徐至，华东理工大学化工学院教授、博导。2015年博士毕业于辛辛那提大学化学工程专业，之后在辛辛那提大学和牛津大学从事多年分离膜材料、电池与电池隔膜的研究工作。现任华东理工大学化工学院教授及大型工业反应器工程教育部工程研究中心副主任。近年来主要从事无机分子筛膜，多孔纳米片膜，混合基质膜的设计制备研究，以及其在储能领域中的应用探索；主持三项国家级项目，并承担化学工程联合国家重点实验室重点课题及多项企业合作项目；在Angew. Chem. Int. Ed., Sci. Adv., J. Membr. Sci. 等国际知名期刊发表论文30多篇，并申请多项国内外发明专利。