科学家开发能更好分离气体的新类型膜：能源使用和排放约为此前的1/10

众所周知，使用膜来分离化学品比蒸馏或吸收等过程要有效得多，但在渗透性（气体能以多快的速度穿透材料）和选择性（让所需分子通过而阻挡所有其他分子）的能力之间一直存在着权衡。研究人员说，基于 “hydrocarbon ladder”聚合物的新的膜材料系列克服了这种权衡，同时提供了高渗透性和极好的选择性。

这些发现于3月24日发表在《科学》杂志上，论文作者包括斯坦福大学化学系副教授夏岩、麻省理工学院化学工程系副教授Zachary Smith、阿卜杜拉国王科技大学教授Ingo Pinnau和其他五人。

气体分离是一个重要而广泛的工业过程，其用途包括从天然气或沼气中去除杂质和不受欢迎的化合物，从空气中分离氧气和氮气用于医疗和工业用途，从其他气体中分离二氧化碳用于碳捕获，以及生产氢气作为无碳交通燃料使用。新的聚合物膜显示出大幅提高此类分离过程的性能的前景。例如，从甲烷中分离二氧化碳，这些新膜的选择性是现有纤维素膜的5倍，渗透性是现有纤维素膜的100倍。同样，在从甲烷中分离氢气方面，它们的渗透性是100倍，选择性是3倍。

夏岩实验室的研究人员在过去几年中开发的新型聚合物被称为“梯形”聚合物，因为它们是由类似梯形的键连接的链形成的，这些链为聚合物材料提供了高度的刚性和稳定性。这些梯形聚合物是通过夏岩实验室开发的一种高效和有选择性的化学方法合成的，这种方法被称为CANAL，它将容易获得的化学品缝合成具有数百甚至数千个梯级的梯形结构。这些聚合物是在溶液中合成的，它们在溶液中形成了坚硬和扭结的带状链，可以通过使用工业上可用的聚合物浇铸工艺轻松地制成具有亚纳米级孔隙的薄片。所产生的孔隙的大小可以通过选择特定的碳氢化合物起始化合物进行调整。夏岩说：“这种化学和化学构件的选择使我们能够制造出具有不同结构的非常坚硬的梯形聚合物。”

为了将CANAL聚合物用作选择性膜，该合作利用了夏岩在聚合物方面的专业知识和Smith在膜研究方面的专长。斯坦福大学的前博士生Holden Lai进行了大部分的开发和探索，研究其结构如何影响气体渗透特性。夏岩说：“从开发新化学到找到赋予高分离性能的正确聚合物结构，我们花了八年时间。”

夏岩实验室在过去几年里改变了CANAL聚合物的结构，以了解其结构如何影响其分离性能。令人惊讶的是，他们发现在原来的CANAL聚合物上增加额外的扭结，大大改善了其膜的机械坚固性，并提高了其对尺寸相似的分子（如氧气和氮气）的选择性，而不会失去对更易渗透的气体的渗透性。选择性实际上随着材料的老化而提高。研究人员说，高选择性和高渗透性的结合使这些材料在许多气体分离中超过了所有其他聚合物材料。

今天，全球能源使用的15%用于化学分离，而这些分离过程“往往是基于百年前的技术”。Smith说。“它们工作得很好，但它们有巨大的碳足迹并消耗大量的能源。今天的关键挑战是试图取代这些不可持续的工艺。”他补充说，这些工艺中的大多数都需要高温来煮沸和重煮溶液，而这些往往是最难电气化的工艺。

他说，对于从空气中分离氧气和氮气来说，这两个分子的大小只相差大约0.18埃。要制造一个能够有效分离它们的过滤器，“在不降低产量的情况下是非常困难的”。但新的梯形聚合物在制造成膜时产生了微小的孔隙，实现了高选择性，他说。在某些情况下，每一个氮气可以渗透10个氧分子，尽管获得这种类型的尺寸选择性需要一个极薄的筛子。这些新的膜材料具有“所有已知聚合物材料中最高的渗透性和选择性组合，适用于许多应用”，Smith说。

他补充说：“由于CANAL聚合物很强且具有延展性，而且它们可溶于某些溶剂，因此它们可以在几年内按比例用于工业部署。”由这项研究的作者领导的一家名为Osmoses的麻省理工学院衍生公司最近赢得了麻省理工学院10万美元的创业竞赛，并得到了The Engine的部分资助，以使该技术商业化。

Smith表示，这些材料在化学加工行业有多种潜在的应用，包括将二氧化碳从其他气体混合物中分离出来作为一种减排形式。另一种可能性是净化由农业废品制成的沼气燃料，以提供无碳交通燃料。用于生产燃料或化学原料的氢气分离也可以有效地进行，有助于向以氢气为基础的经济过渡。

这个紧密相连的研究团队正在继续完善该工艺，以促进从实验室到工业规模的发展，并更好地了解大分子结构和包装如何导致超高选择性的细节。Smith说，他预计这项平台技术将在多种脱碳途径中发挥作用，首先是氢气分离和碳捕获，因为为了过渡到无碳经济，对这些技术有如此迫切的需求。

“这些是令人印象深刻的新结构，具有出色的气体分离性能，”佐治亚理工学院化学和生物分子工程副教授Ryan Lively说，他没有参与这项工作。“重要的是，这种性能在膜老化过程中以及当膜受到高浓度气体混合物的挑战时得到了改善。......如果他们能够扩大这些材料的规模并制造出膜组件，就会有重大的潜在的实际影响。”