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分子尺度无机膜材料合成分离技术:引领国际透氧膜材料研究方向
2019-08-16 来源:中国化工报 点击
关键词:无机膜  透氧膜  膜材料

  反应和分离是化学工业的两大基本过程,二者的集成强化是一项极具挑战的课题。中国科学院大连化学物理研究所完成的分子尺度分离无机膜材料设计合成及其分离与催化性能研究项目,为开拓分离—反应过程耦合以及反应—反应过程耦合提供了新思路,所取得的研究成果显著地提升了我国在无机膜及膜催化领域的国际影响力。该项目也因此荣获2015年国家自然科学二等奖。

  该项目设计合成了具有分子尺度分离性能的无机膜(透氧膜和分子筛膜)新材料,提出了透氧膜材料优化设计原则,解决了渗透性与稳定性相互制约的关键科学问题,引领了国际透氧膜材料研究方向。微波合成分子筛膜解决了分子筛膜无缺陷合成的科学问题,获得了具有分子尺度分离性能的分子筛膜;发展了无机膜在能源领域中应用新过程;实现了膜分离过程和催化过程在膜反应器中的耦合,为开拓分离—反应过程耦合以及反应—反应过程耦合提供了新思路。

  业内人士表示,分子尺度分离无机膜材料可以实现膜分离过程和催化过程在膜反应器中的耦合,其设计合成及分离与催化性能研究是物理化学、材料科学和化学工程等学科的交叉热点和研究前沿。

  该项目提出了透氧膜材料优化设计原则,首次设计合成了具有国际领先水平透氧性能的膜材料,解决了透氧膜材料氧渗透性与稳定性相互制约这一关键材料科学问题。该材料被44个国家和地区超过300多个研究团队重复、广泛引用,引领了国际透氧膜材料研究方向。

  该项目还首次提出并验证了利用透氧膜连续可控地提供活性氧物种来提高选择氧化反应选择性的新概念,解决了选择氧化反应选择性低的关键催化科学问题;在透氧膜反应器中创造性地实现了水分解制氢与甲烷部分氧化制合成气反应—反应耦合过程,解决了受热力学平衡限制的水分解反应转化率低的科学难题,为开拓化工领域反应—反应耦合过程提供了新思路。

  在此基础上,该项目首次合成了择优孔道取向的MFI型分子筛膜和金属有机骨架分子筛(MOFs)纳米粒子构筑的分子筛混合基质膜,解决了分子筛膜扩散孔道优化调控的科学问题,实现了膜渗透通量的数量级提高。在基于微波的体相加热和选择性加热效应上,项目率先提出了微波合成分子筛膜的新概念,解决了分子筛膜无缺陷合成的科学问题,成功实现了分子筛膜晶界结构和晶粒形貌的纳米尺度调控,获得了具有分子尺度分离性能的分子筛膜。该项目成为分子筛膜合成领域的巨大进展,并得到国际同行的认可。

  该项目的相关科学发现显示出重要工业应用价值,如基于微波合成的分子筛膜在醇/水分离中实现了工业应用。

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