日本东北大学开发新型COF膜突破CO₂分离性能极限，有望推动碳捕集技术升级
B910化工消息：5月25日消息，日本东北大学多元物质科学研究所的Saikat Das特别研究员和根岸雄一教授团队在《美国化学会志》（JACS）发表研究论文，报道了一种通过杂原子工程调控共价有机框架（COF）孔道化学性质的新策略，开发出的COF混合基质膜在CO₂分离中突破长期困扰膜分离领域的渗透性-选择性权衡瓶颈。
气体膜分离技术广泛应用于天然气净化、氢气提纯和碳捕集等领域，但传统膜材料始终面临一个核心矛盾：高渗透性材料往往选择性不足，高选择性材料则通量受限。这一渗透性-选择性权衡关系以2008年Robeson上限为标志性基准，数十年来鲜有材料能同时超越该极限。
研究团队创新性地设计了两款同构COF材料——TUS-621（含氧杂原子）和TUS-622（含硫杂原子）。二者在框架拓扑和孔径几何上几乎完全一致，仅在杂原子组成上存在差异，从而首次实现了对孔道化学效应的精准解耦研究。实验发现，氧含量较高的TUS-621对CO₂表现出更强的吸附亲和力和更快的传质速率，使CO₂分离性能显著优于含硫的TUS-622。
将TUS-621以10%的负载量掺入Pebax聚合物基质后，所得混合基质膜TUS-621/Pebax-10%在CO₂/CH₄分离和CO₂/H₂分离中均突破2008年Robeson上限，且在宽压力和温度范围内保持优异的分离性能。更为关键的是，该膜在连续30天运行测试中性能保持稳定，展现了良好的工业应用潜力。
计算模拟进一步揭示了CO₂分子与富氧孔道环境之间更强的电子耦合效应在增强选择性CO₂吸附和传输中发挥了关键作用。根岸雄一教授表示，该策略为面向实际工业气体分离的节能型膜材料设计开辟了新路径。
从产业角度看，当前工业CO₂分离主要依赖胺液吸收法，能耗高、设备腐蚀严重。膜分离技术因能耗低、占地面积小被视为替代方案，但性能瓶颈长期制约其大规模应用。东北大学团队的研究成果在材料设计和工程验证两个层面均取得突破，尤其是30天长期稳定性测试对工业推广意义重大。该论文第一作者为入江司（Tsukasa Irie），DOI: 10.1021/jacs.5c23169。 （来源：Phys.org）
气体膜分离技术广泛应用于天然气净化、氢气提纯和碳捕集等领域，但传统膜材料始终面临一个核心矛盾：高渗透性材料往往选择性不足，高选择性材料则通量受限。这一渗透性-选择性权衡关系以2008年Robeson上限为标志性基准，数十年来鲜有材料能同时超越该极限。
研究团队创新性地设计了两款同构COF材料——TUS-621（含氧杂原子）和TUS-622（含硫杂原子）。二者在框架拓扑和孔径几何上几乎完全一致，仅在杂原子组成上存在差异，从而首次实现了对孔道化学效应的精准解耦研究。实验发现，氧含量较高的TUS-621对CO₂表现出更强的吸附亲和力和更快的传质速率，使CO₂分离性能显著优于含硫的TUS-622。
将TUS-621以10%的负载量掺入Pebax聚合物基质后，所得混合基质膜TUS-621/Pebax-10%在CO₂/CH₄分离和CO₂/H₂分离中均突破2008年Robeson上限，且在宽压力和温度范围内保持优异的分离性能。更为关键的是，该膜在连续30天运行测试中性能保持稳定，展现了良好的工业应用潜力。
计算模拟进一步揭示了CO₂分子与富氧孔道环境之间更强的电子耦合效应在增强选择性CO₂吸附和传输中发挥了关键作用。根岸雄一教授表示，该策略为面向实际工业气体分离的节能型膜材料设计开辟了新路径。
从产业角度看，当前工业CO₂分离主要依赖胺液吸收法，能耗高、设备腐蚀严重。膜分离技术因能耗低、占地面积小被视为替代方案，但性能瓶颈长期制约其大规模应用。东北大学团队的研究成果在材料设计和工程验证两个层面均取得突破，尤其是30天长期稳定性测试对工业推广意义重大。该论文第一作者为入江司（Tsukasa Irie），DOI: 10.1021/jacs.5c23169。 （来源：Phys.org）
