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[转载][NCM综述]中国科学院山西煤炭化学研究所刘耀东研究员:面向气体分离的聚合物衍生碳分子筛膜研究进展

已有 2394 次阅读 2022-6-16 17:05 |个人分类:期刊|系统分类:科普集锦|文章来源:转载

气体分离和纯化领域中,膜分离技术具有分离效率高、环境友好、无相变、操作简便等优点,被认为是一种可替代传统能源密集型分离工艺的经济前景技术。与聚合物基气体分离膜相比,碳分子筛膜具有更高的气体渗透性和选择性,多数可超过聚合物基气体分离膜的Robeson上限,同时其化学耐受性、高温稳定性、抗塑性远超聚合物膜,受到了研究者和厂家越来越多的关注。

目前,碳分子筛膜主要通过聚合物前驱体膜的高温裂解制备。热解过程中聚合物链分解、碎裂和芳构化,最终形成碳基“条”和“片”结构。碳片中的缺陷处以及碳链间的狭缝状超微孔(<0.6 nm)和位于堆积碳片之间的微腔(0.6-2 nm)构成涡轮层流碳结构(图1);其中超微孔对气体分子的筛分起关键作用,微腔对气体扩散有重要影响。碳分子筛膜前驱体的化学和物理结构是决定碳分子筛膜孔道结构和气体分离性能的关键,化学结构为主,物理结构为辅;同时,热解过程中的环境影响因素,如温度梯度、气氛、压力场等,亦对碳结构及孔道结构的形成产生影响。

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图1. 可能的聚合物演变为碳的结构转化和孔道形成示意图

碳分子筛膜的常用聚合物前驱体包括聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚糠醇、酚醛树脂、纤维素、聚苯并咪唑、聚偏二氯乙烯、醚酮类聚合物、本征多孔聚合物等。不同前驱体衍生的碳分子筛膜的气体分离性能在通量和选择性的适配区域上具有显著差异(图2)。

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图2. 不同前驱体碳分子筛膜气体分离性能的比较

近日,中国科学院山西煤炭化学研究所刘耀东研究员课题组在《新型炭材料》(New Carbon Materials)发表综述“A review of polymer-derived carbon molecular sieve membranes for gas separation”,分类总结和讨论了不同化学结构前驱体制备碳分子筛膜的工艺和气体分离性能。该文详细介绍了每种碳分子筛膜的性能优势和不足,总结至今通过调整化学结构和物理改性等改善气体分离性能的方法和效能。针对碳分子筛膜老化现象,阐述了目前报道过的降低或者抑制老化的途径。同时,采用计算模拟能够更加清晰地了解碳分子筛膜中复杂孔道结构对气体分离性能的影响以及前驱体到碳分子筛膜的结构演化,可能针对性设计和调控碳分子筛膜结构和气体分离性能。

总而言之,在过去的几十年里,碳分子筛膜的气体分离性能得到了显著改善,并可能在不久的将来实现其商业应用,但其仍然存在一些挑战和亟需解决的问题:(1)对于碳分子膜复杂结构以及结构生成与演化过程更加清晰的解析;(2)兼顾超高渗透性和选择性的碳分子筛膜制备;(3)实现长期使用和储存期间良好的气体分离稳定性;(4)降低成本,探寻商业应用成本和碳分子筛膜性能之间的平衡和结合点,推动其产业化。

 

文章信息 New Carbon Materials

LI Hao-jie, LIU Yao-dong. A review of polymer-derived carbon molecular sieve membranes for gas separation[J]. New Carbon Materials, 2022, 37(3): 484-507.

李浩杰, 刘耀东. 面向气体分离的聚合物衍生碳分子筛膜研究进展[J]. 新型炭材料, 2022, 37(3): 484-507. 


期刊官网:http://xxtcl.sxicc.ac.cn

国际版主页:https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials

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