氢气作为未来清洁能源的关键组成部分，其分离和纯化技术尤为重要。然而，传统的氢气分离方法，如变压吸附和低温蒸馏，往往面临着能耗高、复杂性大的挑战。相较之下，基于膜的分离方法因其低能耗、简单操作等优势，逐渐成为热点研究方向。然而，目前传统膜材料在氢气分离中存在透过性与选择性之间的固有权衡，如何同时提升这两项关键性能指标成为行业面临的重要难题。
湖南大学王少飞教授团队长期致力于贯穿通道膜的构筑，前期对MOF凝胶在混合基质膜中的应用进行了探索（Chem. Eng. J. 2024, 484, 149489）。近期，团队创新性地设计了一种基于钯功能化ZIF-67凝胶网络（Pd@ZIF-67 gel）的混合基质膜（MMMs）。该设计首次将氢气溢流机制应用于膜分离领域，显著提升了氢气的传输效率和分离选择性。氢气溢流如图1所示，氢气分子在金属纳米颗粒（如钯）表面被解离为原子氢，并通过MOF结构的微孔道进行扩散。为了实现这一机制，团队通过将钯纳米颗粒均匀地嵌入到ZIF-67凝胶中，形成连续的氢气溢流路径，从而有效提高了氢气传输效率。
ZIF-67凝胶作为功能性骨架材料，为钯纳米颗粒提供了良好的分布环境，不仅避免了纳米颗粒的聚集现象，还保留了高比表面积和均匀的孔道结构。通过与PIM-1基质结合，制备了Pd@ZIF-67 gel/PIM-1混合基质膜，并通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）等多种表征手段（图2、图3），确认了该膜结构中的钯颗粒均匀分布，形成了有效的氢气传输通道。研究发现当Pd@ZIF-67凝胶的负载量达到28 wt%时，混合基质膜表现出极佳的氢气渗透性和选择性，氢气渗透率达到了3620 Barrer，H₂/CH₄选择性达到了24.9。这一性能已显著超越了2008年提出的氢气分离性能上限。这些优异的表现主要归因于以下几个方面：首先，ZIF-67凝胶的三维网络结构确保了钯纳米颗粒的均匀分布，从而实现了连续的氢气溢流路径；其次，Pd@ZIF-67 gel的微孔和中孔结构为氢气的扩散提供了丰富的路径，降低了传质阻力；最后，PIM-1基质材料的高自由体积特性也为氢气传输提供了更多通道。
图2 Pd@ZIF-67 gel的合成方法及结构表征
他们的研究成果表明，通过将钯功能化ZIF-67凝胶与PIM-1基质相结合，并利用氢气溢流机制，可以显著提升混合基质膜的氢气分离性能，为下一代氢气分离膜材料的开发提供了创新性的设计思路和技术路径。这种创新型材料的潜力不仅限于氢气分离，在其他气体分离或催化领域也同样值得进一步探索。希望该工作能够推动Pd@ZIF-67凝胶/PIM-1混合基质膜在工业氢气分离领域的实际应用，为实现清洁能源的高效利用贡献力量。相关成果以“Boosting Hydrogen Transport in Mixed Matrix Membranes through Continuous Spillover via Pd-Functionalized MOF Gel Networks”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。湖南大学博士研究生张克明是该论文的第一作者，王少飞教授为通讯作者，本工作得到了石油污染控制国家重点实验室开放课题、长沙自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目的资助。
注：欢迎开展合作研究，有意者请来信邮箱（[email protected]）。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202417186
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