中国石油大学（华东）AFM：沸石基“颗粒板膜”用于快速、选择性氢气渗透

沸石，因其独特的孔隙结构和对极端条件（包括显著的湿度、高温和高压）的耐受性，被认为是一种潜在的高效分离介质，用于从混合气体中高效分离氢气（H2）。尽管沸石粉末已广泛应用于石化工业的催化和吸附过程，但将这些粉末转化为大规模、高质量的沸石膜仍然面临技术挑战。特别是，从易于生产的沸石粉末到合成能够充分利用其有序孔隙的自支撑沸石膜，这一过程存在着重大的技术难题。因此，开发一种简便、高效的方法来制备以沸石为主导的且充分利用其有序孔隙的自支撑膜显得尤为迫切。

日前，中国石油大学（华东）的孙道峰教授、王荣明教授和康子曦教授团队引入固有微孔聚合物（PIM-1）作为粘合剂，设计了一种“包裹-压缩”策略，直接将沸石粉末转化为坚固的“颗粒板”膜，以实现高效的氢气分离（图1）。相关工作以“Zeolite-based “Particle Board” Membranes for Rapid and Selective Hydrogen Permeation”发表在《先进功能材料》。

图1：通过“包覆-压缩”策略制备FAU@PIM-1“颗粒板”膜的示意图。

FAU@PIM-1“颗粒”的制备及表征

将FAU型分子筛分散在PIM-1的CHCl 3溶液中，制备出FAU@PIM-1“颗粒”。球差校正透射电子显微镜（AC-TEM）图像观察到，通过在溶液中包裹PIM-1，制备的FAU@PIM-1“颗粒”不仅具有超薄的PIM-1层，而且保持了沸石的有序孔隙（图2）。弹性PIM-1紧密附着在FAU纳米颗粒上，形成完整的FAU-聚合物界面，有助于压缩成型“颗粒板”膜。

图2：FAU及FAU@PIM-1“颗粒”的形貌表征。

FAU@PIM-1“颗粒板”膜的制备及表征

以FAU@PIM-1“颗粒”为原料，在优化压力为5 MPa、时间为2 min的条件下成功制备了自支撑的FAU@PIM-1“颗粒板”膜。为了揭示“颗粒板”膜的内部微观结构，本研究采用聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）对FAU@PIM-1“颗粒板”膜进行了深入的表征分析，并对收集的SEM图像进行3D重构（图3）。3D重构显示了FAU@PIM-1“颗粒板”膜具有分级孔结构。在分子筛的有序孔隙结构主导的分子筛分作用下，这种具有分级孔结构的“颗粒板”增强了分离过程中气体扩散的传质通道。

“颗粒板”膜的三个特征：

1.FAU，具有可接近和有序的微孔结构（固有微孔），在“颗粒板”膜中的质量分数大于96%，这一特性使其在选择性气体渗透方面发挥了关键作用；

2.FAU@PIM-1“颗粒”间的空隙，即“颗粒”间大孔，具有不相互连接的特性，在不牺牲选择性的前提下，为快速气体输送提供了更高的自由体积分数；

3.PIM-1的粘附性促进了颗粒间的紧密结合，有效避免了膜中非选择性大孔的产生。

图3：纯FAU及FAU@PIM-1“颗粒”膜的3D重构、解析和气体渗透途径示意图。

性能测试及策略普适应研究

H 2掺入天然气管网是实现清洁能源大规模输送的关键策略。为实现这一目标，开发能够精确筛选气体小分子的膜材料对于H 2/CH 4的高效分离至关重要，这不仅能够提升H 2的纯度，还能为终端用户回收高纯度的H 2。在FAU@PIM-1“颗粒板”膜成功构筑下，作者采用Wicke-Kallenbach渗透系统对H 2等气体进行了渗透试验，并对膜的分离性能进行了评价（图4）。结果表明该策略制备的FAU@PIM-1“颗粒板”膜展现出了优异的气体渗透性能。并系统的研究了工艺参数对膜密度和膜分离性能的影响。此外，该策略的普适性也得到了验证，能够扩展至EMT@PIM-1和MFI@PIM-1“颗粒板”膜的制备，用于H 2快速、选择性分离。

图4：FAU@PIM-1“颗粒”膜的气体渗透性能测试结果。

小结

作者利用PIM-1包裹压缩策略，成功制备了自支撑的沸石基“颗粒板”膜。这一创新方法不仅实现了沸石粉末到高性能膜材料的转变，而且系统地研究了“颗粒板”的结构特性以及制备工艺参数对气体分离性能的影响。同时，该策略能够有效地扩展至其他分子筛“颗粒板”膜的制备，从而显著提升了其在工业应用中的潜力和实用性。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202415063

来源：本文经作者授权独家发布。

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！