在碳达峰、碳中和的国家战略目标背景下，发展低能耗、环境友好的CO2选择性分离膜具有重要意义和实际应用价值。高性能二维分离膜是该研究领域前沿性研究议题。二维共价有机框架(covalent organic frameworks，COFs)具有永久性一维直通孔道，丰富的表面官能团以及优异稳定性，在CO2分离领域具有巨大应用潜力。然而，目前二维COFs孔径大于0.8nm，对于动力学直径0.3~0.4 nm范围的小分子气体如H2(0.29 nm)、CO2(0.33 nm)等难以实现精确分离，构建具有高效CO2分离性能的纯相二维COFs膜面临较大挑战。
该研究中，科研人员在前期研究(Science，2014;Angew. Chem. Int. Ed.，2017)基础上，以三种不同表面化学和孔径的层状COFs材料为研究对象，发展出一种弱酸性溶剂剥层，并辅以温和机械外力的方法，将其剥离为厚度~2nm、尺寸达微米级的系列超薄纳米片层，通过精确控制纳米片错排组装，构建了孔径尺寸适合CO2分离的纯相COFs膜。COFs骨架对CO2选择性吸附特性与纳米片错排缩孔效应协同作用诱发气体在膜内表面扩散机制，首次实现了CO2/H2混合气中大分子CO2优先渗透分离，分离性能达到工业应用需求。该研究为开发新型COFs气体分离膜材料提供了新思路。
相关研究成果以Single-Phase Covalent Organic Framework Staggered Stacking Nanosheet Membrane for CO2-Selective Separation为题，发表在《德国应用化学》上。研究工作得到国家自然科学基金、大连化物所创新基金、中科院洁净能源创新研究院合作基金、辽宁省“兴辽英才计划”等的资助。
左：COF膜孔道工程-纳米片错排缩孔策略示意图；右：不同膜CO2/H2分离性能对比图
