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3777金沙娱场城新型膜材料快速海水淡化研究取得进展
时间:2024-01-19 来源:
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中国科学院3777金沙娱场城(以下简称“3777金沙娱场城”)纳孔构型的分离与能源转化团队在共轭框架晶体膜超快海水淡化方面的研究取得重要进展,相关成果以“Alkadiyne-pyrene conjugated frameworks with surface exclusion effect for ultrafast seawater desalination为题发表在Journal of the American Chemical Society上,并被选为封面。论文的第一作者为3777金沙娱场城博士生宫典和广西师范大学闻炳海教授,通讯作者为曾高峰研究员,共同通讯为南京理工大学朱志高副教授和上海大学刘星副研究员。该研究工作得到国家自然科学基金、上海市科委等项目的资助,先进表征得到上海光源B14W1线站支持。 

温度梯度推动的膜蒸馏海(盐)水淡化工艺具有高脱盐率、浓卤水适应性、超高淡水回收率等优势。结合低品位能源/可再生能源供能,膜蒸馏还是一种绿色可持续的海水淡化过程。然而,主流膜材料受到低水通量的困扰,严重限制了淡水生产效率和规模化应用。因此,高通量海水淡化膜技术被誉为“改变世界的分离技术”之一。为了实现高脱盐率的同时显著提升水通量,则需要探索新的膜材料与膜结构。 

在前期的研究中,该团队首次将具有共轭碳框架结构的材料,石墨炔,通过温和溶剂热原位制备复合膜,并在膜蒸馏海水脱盐中成功实现水通量的数量级提升(Nature Water, 2023, 1, 800-807)。石墨炔框架结构的光滑表面提供了抗浸润性和超高脱盐率,竖直纳米墙孔构型提供了超快的水蒸气传质通道。二炔-共轭碳框架材料依据单体中心基团的不同具有丰富的结构变化,是一个庞大的新型二维材料家族。基于石墨炔膜快速脱盐的成功实践,在更宽广的范围内研究共轭碳框架材料的成膜性及脱盐性能对该类材料的膜分离应用将具有非常重要的意义。 

鉴于此,在近期的研究中,该团队将二维共轭框架膜的研究对象从石墨炔拓展至类石墨炔的芘二炔。他们以多孔中空纤维为载体,在温和的溶剂热条件下利用载体表面的铜源作为催化剂,通过双炔偶联反应从四乙炔基芘单体直接催化合成芘二炔复合膜。真空膜蒸馏测试表明,芘二炔共轭框架膜对模拟海水的脱盐率>99.9%,而水通量达~500Lm-2h-1,超过了商用膜通量至少一个数量级。分子动力学理论计算和流体力学数值模拟的研究表明,芘二炔复合膜等级孔的大径长比、膜表面适中的憎水性有助于高通量传质,共轭框架的类石墨表面则隔绝盐离子的接触与通过。模拟计算还证实盐离子不能穿透框架的面内孔。该工作验证了石墨炔与类石墨炔的二维共轭框架膜具有超快脱盐的共性,为选择更易得廉价的聚合单体、为面向实际应用提供了坚实基础。 

 

近年来,该研究团队聚焦多孔框架材料的结构设计、位点建立、可控制备等方面的基础创新,专注于开拓新型微孔晶体材料功能性,并具体应用于复杂体系精确分离(Nat Water 2023, 1, 800; Angew Chem 2023, e202317015; Adv Funct Mater 2023, 33, 2302637; ACS Nano 2021, 15, 9871; ACS Cent Sci 2019, 5, 1834; Adv Mater 2018, 30, e1705775;  Nat Commun 2017, 8, 825)与高效能源转化反应(Nat Commun 2023, 14, 3800; Angew Chem 2023, e202317785; Angew Chem 2023, 62, e202304356; Nat Commun 2022, 13, 6673; Angew Chem 2022, 61, e202213522),开展了一系列成体系的基础/前瞻研究工作。 

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