大卫·L
钱德勒，麻省理工学院 信用:Unsplash/CC0公共领域 化学分离的工业过程，包括天然气净化和医用或工业用氧和氮的生产，总共消耗了世界能源的15%
它们也造成了相应数量的全球温室气体排放
现在，麻省理工学院和斯坦福大学的研究人员开发了一种新型膜，用于进行这些分离过程，其能耗和排放量约为1/10
众所周知，使用膜来分离化学物质比蒸馏或吸收等过程更有效，但在渗透性(气体穿透材料的速度)和选择性(让所需分子通过同时阻止所有其他分子的能力)之间一直存在权衡
研究人员说，基于“碳氢化合物阶梯”聚合物的新系列膜材料克服了这种权衡，提供了高渗透性和极好的选择性
这些发现发表在《科学》杂志上，论文作者是斯坦福大学化学副教授夏寅；麻省理工学院化学工程助理教授扎卡里·史密斯；阿卜杜拉国王科技大学教授Ingo Pinnau和其他五人
气体分离是一种重要且广泛应用的工业过程，其用途包括从天然气或生物气体中去除杂质和不需要的化合物，从空气中分离氧气和氮气用于医疗和工业目的，从其他气体中分离二氧化碳用于碳捕获，以及生产氢气用作无碳运输燃料
这种新型梯形聚合物膜有望显著改善这种分离过程的性能
例如，从甲烷中分离二氧化碳，这些新膜的选择性是现有纤维素膜的五倍，渗透性是现有纤维素膜的100倍
同样，它们的渗透性是甲烷的100倍，选择性是甲烷的3倍
夏实验室在过去几年中开发的新型聚合物被称为梯形聚合物，因为它们是由通过梯状键连接的双链形成的，这些连接为聚合物材料提供了高度的刚性和稳定性
这些梯形聚合物是通过夏实验室开发的一种高效和选择性的化学方法合成的，这种化学方法称为CANAL，是催化芳烃-降冰片烯成环的缩写，它将容易获得的化学物质缝合成具有数百甚至数千个梯级的梯形结构
这些聚合物是在溶液中合成的，在溶液中它们形成刚性和扭结的带状线，通过使用工业上可用的聚合物浇铸工艺，可以容易地制成具有亚纳米尺度孔的薄片
所得孔的尺寸可以通过选择特定的烃原料化合物来调节
“这种化学性质和化学结构单元的选择使我们能够制造具有不同构型的非常刚性的梯形聚合物，”夏说
为了将运河聚合物用作选择性膜，合作利用了夏在聚合物方面的专业知识和史密斯在膜研究方面的专长
前斯坦福大学博士生Holden Lai对其结构如何影响气体渗透性能进行了大量的开发和探索
“我们花了八年时间，从开发新的化学到找到合适的聚合物结构，赋予高分离性能，”夏说
夏实验室花了几年的时间改变聚合物的结构，以了解它们的结构如何影响分离性能
令人惊讶的是，他们发现在原有的通道聚合物上添加额外的扭结，可以显著提高其膜的机械强度，并提高其对类似大小的分子(如氧气和氮气)的选择性，而不会损失更具渗透性的气体的渗透性
随着材料老化，选择性实际上提高了
研究人员说，高选择性和高渗透性的结合使这些材料在许多气体分离中胜过所有其他聚合物材料
今天，全球能源使用的15%用于化学分离，而这些分离过程“通常基于百年老技术”，史密斯说
“它们运行良好，但它们有巨大的碳足迹，消耗大量的能源
今天的关键挑战是试图取代这些不可持续的流程
“这些过程中的大多数需要高温来沸腾和再沸腾溶液，而这些过程通常是最难通电的，他补充道
为了从空气中分离出氧和氮，这两种分子的大小只有大约0
他说，18埃(一米的十亿分之一)
在不降低产量的情况下，制造一种能够有效分离它们的过滤器是非常困难的
“但是，新的梯形聚合物，当制造成膜时，产生微小的孔，实现高选择性，”他说
在某些情况下，10个氧分子渗透每个氮分子，尽管需要极薄的筛子来获得这种类型的尺寸选择性
史密斯说，这些新的膜材料“在许多应用中具有所有已知聚合物材料中最高的渗透性和选择性组合”
他补充道:“因为运河聚合物坚固且有延展性，而且它们可溶于某些溶剂，所以它们可以在几年内进行工业部署。”
由这项研究的作者领导的一家名为Osmoses的麻省理工学院衍生公司最近赢得了麻省理工学院10万美元的创业竞赛，并获得了该引擎的部分资助，以将该技术商业化
史密斯说，这些材料在化学加工工业中有各种潜在的应用，包括从其他气体混合物中分离二氧化碳，作为一种减排形式
另一种可能性是净化由农业废物制成的沼气燃料，以提供无碳运输燃料
用于生产燃料或化学原料的氢分离也可以有效地进行，有助于向基于氢的经济过渡
紧密团结的研究团队正在继续完善该过程，以促进从实验室到工业规模的发展，并更好地了解大分子结构和填充如何产生超高选择性的细节
史密斯说，他预计这种平台技术将在多种脱碳途径中发挥作用，从氢气分离和碳捕获开始，因为为了过渡到无碳经济，迫切需要这些技术
研究团队还包括斯坦福大学的Jun Myun Ahn和Ashley Robinson、麻省理工学院的Francesco Benedetti(现任Osmoses首席执行官)和沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的Wang
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