23日從天津大學獲悉，該校化工學院王志教授團隊聯(lián)合天津工業(yè)大學、澳大利亞昆士蘭大學、美國加利福尼亞大學圣巴巴拉分校科研團隊，成功攻克膜法碳捕集領域的“卡脖子”難題。團隊研發(fā)出基于“預占位—后激活”(POPA)策略的新型膜材料，讓高性能MOF基二氧化碳分離膜實現“從實驗室到工廠”的跨越。可在工業(yè)級“卷對卷”生產線上實現規(guī)模化連續(xù)制造，幅寬可達一米，為“雙碳”目標落地注入強勁科技動能。該研究成果近期發(fā)表于國際期刊《先進材料》。

據了解，二氧化碳的高效分離是減排的關鍵環(huán)節(jié)。“膜法碳捕集”技術具有能耗低、無溶劑揮發(fā)污染、設備可撬裝集成、占地面積小等顯著優(yōu)勢，因而備受關注。近年來，國內外研究者在實驗室條件下已開發(fā)出多種高性能混合基質膜，并展示了優(yōu)異的分離性能。

基于規(guī)模化所制膜試制的不同規(guī)格卷式膜組件(董嚴斌 攝)

然而，這些先進膜材料的制備面積遠不能滿足工業(yè)化部署所需的膜面積要求。制約其規(guī)模化連續(xù)制造的關鍵在于“非平衡加工誘導填料失穩(wěn)”難題——即在實驗室溫和條件下穩(wěn)定的填料分散體系，在工業(yè)快速涂布的非平衡動態(tài)加工過程中極易失穩(wěn)，從而引發(fā)填料團聚及多尺度界面缺陷。

針對這一難題，團隊提出“預占位—后激活”策略，開發(fā)出兼具靜態(tài)分散與動態(tài)加工穩(wěn)定性的荷正電聚合物刷MOF材料。

該技術圍繞核心痛點，從三個維度實現了原創(chuàng)性突破。

一是材料設計理念創(chuàng)新。傳統(tǒng)研究局限于實驗室條件下的靜態(tài)分散，該團隊首次提出面向膜規(guī)模化制造的填料需兼具靜態(tài)與動態(tài)穩(wěn)定性，將設計邏輯從“靜態(tài)穩(wěn)得住”升級為“動態(tài)穩(wěn)得住”，打破傳統(tǒng)范式。

二是孔道保護策略開發(fā)。針對聚合物修飾易堵塞孔道，團隊創(chuàng)新性地采用“預占位—后激活”策略：先利用質子化胺基預占孔道，引導聚合物外表面接枝;再通過去質子化“后激活”，恢復胺基活性與孔道暢通，實現“先堵后疏”，既構建聚合物刷層，又保障二氧化碳高效傳輸。

三是雙重穩(wěn)定機制構建。高荷正電框架與表面聚合物刷，協(xié)同發(fā)揮靜電—空間位阻效應，確保靜態(tài)穩(wěn)定分散;自由伸展聚合物刷，通過密集氫鍵與聚合物基質形成界面互鎖結構，在溶劑快速蒸發(fā)時，自適應抵抗“聚集誘導力”，從根本上解決動態(tài)失穩(wěn)難題。

在研究取得突破的基礎上，團隊還與企業(yè)合作，進一步開展了工業(yè)規(guī)模化的技術驗證，打通了“從實驗室到工廠”的技術轉化路線。王志介紹，團隊在自主設計的工業(yè)級“卷對卷”刮涂生產線上，首次實現了幅寬達一米的“MOF基耐壓二氧化碳分離混合基質復合膜”的規(guī)模化連續(xù)穩(wěn)定制造。

所制膜在天然氣脫碳及燃燒后碳捕集等工況下性能優(yōu)異，經系統(tǒng)取樣與多批次驗證，展現出良好的可擴展性和均勻性。技術經濟評估顯示，在相同分離目標下，該膜較同類型膜能夠將所需膜面積降低一個數量級以上，有效降低固定投資成本，并大幅縮減設備的占地空間。

未來，該技術有望突破高能耗傳統(tǒng)工藝局限，在工業(yè)煙道氣、天然氣脫碳及合成氣凈化等領域發(fā)揮關鍵作用，為碳捕集、利用與封存產業(yè)鏈的降本增效提供強有力的技術支撐，加速推動膜法碳捕集技術從實驗室創(chuàng)新向實際工業(yè)應用的關鍵跨越，引領氣體分離膜行業(yè)向高效、低能耗方向邁進。