23日從天津大學(xué)獲悉，該校化工學(xué)院王志教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合天津工業(yè)大學(xué)、澳大利亞昆士蘭大學(xué)、美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校科研團(tuán)隊(duì)，成功攻克膜法碳捕集領(lǐng)域的“卡脖子”難題。團(tuán)隊(duì)研發(fā)出基于“預(yù)占位—后激活”(POPA)策略的新型膜材料，讓高性能MOF基二氧化碳分離膜實(shí)現(xiàn)“從實(shí)驗(yàn)室到工廠”的跨越。可在工業(yè)級(jí)“卷對(duì)卷”生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)規(guī)模化連續(xù)制造，幅寬可達(dá)一米，為“雙碳”目標(biāo)落地注入強(qiáng)勁科技動(dòng)能。該研究成果近期發(fā)表于國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》。

據(jù)了解，二氧化碳的高效分離是減排的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。“膜法碳捕集”技術(shù)具有能耗低、無溶劑揮發(fā)污染、設(shè)備可撬裝集成、占地面積小等顯著優(yōu)勢(shì)，因而備受關(guān)注。近年來，國(guó)內(nèi)外研究者在實(shí)驗(yàn)室條件下已開發(fā)出多種高性能混合基質(zhì)膜，并展示了優(yōu)異的分離性能。

基于規(guī)模化所制膜試制的不同規(guī)格卷式膜組件(董嚴(yán)斌 攝)

然而，這些先進(jìn)膜材料的制備面積遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)化部署所需的膜面積要求。制約其規(guī)模化連續(xù)制造的關(guān)鍵在于“非平衡加工誘導(dǎo)填料失穩(wěn)”難題——即在實(shí)驗(yàn)室溫和條件下穩(wěn)定的填料分散體系，在工業(yè)快速涂布的非平衡動(dòng)態(tài)加工過程中極易失穩(wěn)，從而引發(fā)填料團(tuán)聚及多尺度界面缺陷。

針對(duì)這一難題，團(tuán)隊(duì)提出“預(yù)占位—后激活”策略，開發(fā)出兼具靜態(tài)分散與動(dòng)態(tài)加工穩(wěn)定性的荷正電聚合物刷MOF材料。

該技術(shù)圍繞核心痛點(diǎn)，從三個(gè)維度實(shí)現(xiàn)了原創(chuàng)性突破。

一是材料設(shè)計(jì)理念創(chuàng)新。傳統(tǒng)研究局限于實(shí)驗(yàn)室條件下的靜態(tài)分散，該團(tuán)隊(duì)首次提出面向膜規(guī)模化制造的填料需兼具靜態(tài)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，將設(shè)計(jì)邏輯從“靜態(tài)穩(wěn)得住”升級(jí)為“動(dòng)態(tài)穩(wěn)得住”，打破傳統(tǒng)范式。

二是孔道保護(hù)策略開發(fā)。針對(duì)聚合物修飾易堵塞孔道，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用“預(yù)占位—后激活”策略：先利用質(zhì)子化胺基預(yù)占孔道，引導(dǎo)聚合物外表面接枝;再通過去質(zhì)子化“后激活”，恢復(fù)胺基活性與孔道暢通，實(shí)現(xiàn)“先堵后疏”，既構(gòu)建聚合物刷層，又保障二氧化碳高效傳輸。

三是雙重穩(wěn)定機(jī)制構(gòu)建。高荷正電框架與表面聚合物刷，協(xié)同發(fā)揮靜電—空間位阻效應(yīng)，確保靜態(tài)穩(wěn)定分散;自由伸展聚合物刷，通過密集氫鍵與聚合物基質(zhì)形成界面互鎖結(jié)構(gòu)，在溶劑快速蒸發(fā)時(shí)，自適應(yīng)抵抗“聚集誘導(dǎo)力”，從根本上解決動(dòng)態(tài)失穩(wěn)難題。

在研究取得突破的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)還與企業(yè)合作，進(jìn)一步開展了工業(yè)規(guī)模化的技術(shù)驗(yàn)證，打通了“從實(shí)驗(yàn)室到工廠”的技術(shù)轉(zhuǎn)化路線。王志介紹，團(tuán)隊(duì)在自主設(shè)計(jì)的工業(yè)級(jí)“卷對(duì)卷”刮涂生產(chǎn)線上，首次實(shí)現(xiàn)了幅寬達(dá)一米的“MOF基耐壓二氧化碳分離混合基質(zhì)復(fù)合膜”的規(guī)模化連續(xù)穩(wěn)定制造。

所制膜在天然氣脫碳及燃燒后碳捕集等工況下性能優(yōu)異，經(jīng)系統(tǒng)取樣與多批次驗(yàn)證，展現(xiàn)出良好的可擴(kuò)展性和均勻性。技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估顯示，在相同分離目標(biāo)下，該膜較同類型膜能夠?qū)⑺枘っ娣e降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，有效降低固定投資成本，并大幅縮減設(shè)備的占地空間。

未來，該技術(shù)有望突破高能耗傳統(tǒng)工藝局限，在工業(yè)煙道氣、天然氣脫碳及合成氣凈化等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，為碳捕集、利用與封存產(chǎn)業(yè)鏈的降本增效提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，加速推動(dòng)膜法碳捕集技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新向?qū)嶋H工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵跨越，引領(lǐng)氣體分離膜行業(yè)向高效、低能耗方向邁進(jìn)。