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分子筛的“膜”力
分子筛的“膜”力
发布时间:2016-08-24 00:00    栏目类别:膜与催化

原创 班宇杰


       日常生活中,当我们需要将大量尺寸不同的物体彼此分开时,一种快速和高效的方法便是使用工具“筛子”。在微观世界里,我们甚至需要将一组尺寸差异极小的纳米分子精确地筛分开来,这时我们需要用到的工具就被称为“分子筛”。


        分子筛的共性是具有相对规整的孔。硅铝沸石是常见的分子筛。它是由硅、铝、氧等常见化学元素组成,化学相互作用使其形成规整的孔道体系,成为分子筛分的有效窗口。金属有机骨架材料是一类新型的分子筛材料,它的组成较传统硅铝沸石更为丰富,能够进行分子筛分的窗口也更加多样化。


        薄膜的概念我们并不陌生。谈及膜,我们能够想到它最直观的特点就是“薄”,即在一个维度上尺寸极小。微观世界里亦是如此。当分子筛晶粒在一个平面内延展,便形成了所谓的“分子筛膜”。分子筛膜的厚度可以从微米到纳米级别。它是利用分子筛筛分微观分子最有效的形式之一。那么分子筛究竟有哪些令人叹服的“膜”力呢?


分子筛膜可以在多种驱动力下将不同分子筛分开来,例如气压、浓度、电压等。我们在膜的一侧通入混合物,在推动力作用下,不同种类的分子将以不同速率穿过膜孔道,实现彼此分离。


        分子筛膜主要依据分子的尺寸大小来分离混合物。分子筛膜如“筛眼”般紧密排列的孔道更倾向于让小分子通过,而将大分子截留至“筛眼”以外。分子筛膜也正是因此而得名。


        分子筛膜除了严格执行“小放行,大截留”的分离原则以外,还将根据分子与膜材料的亲和性大小来进行分离。与膜材料本身“惺惺相惜”的分子将获得通过膜孔道的优先权,进而与其他分子“渐行渐远”,实现分离。


        迄今为止,分子筛膜历经数十年的发展历程,它所面临的最大挑战之一是如何降低膜的厚度至纳米级别,进而减小分子的通行路径,提高膜的筛分效率。2014年,大连化学物理研究所杨维慎研究员带领的无机膜与催化新材料团队,在国际上首次获得了纳米级厚度的超透气性分子筛膜。该项研究成果发表在国际顶级学术期刊《科学》(Science)上。美国著名无机膜科学家林跃生(Y. Lin)教授评价该项研究成果是膜科学领域的一个重要进展,德国著名分子筛膜和膜催化科学家卡罗( J. Caro )教授评价该研究是分子筛膜领域的一个开创性工作;日本膜协会主席,著名微孔膜科学家都留(T. Tsuru)教授评价该项研究发展了新一代分子筛膜。


        2016年8月21日至23日,第七届国际分子筛膜会议在大连召开。会议由中科院大连化学物理研究所和吉林大学共同主办,会议主席为大连化物所杨维慎研究员和吉林大学裘式纶教授。国际分子筛膜会议是分子筛膜领域中最重要的全球性盛会。继日本岐阜 (1998), 荷兰皮尔默伦德(2001), 美国布雷肯里奇(2004), 西班牙萨拉戈萨 (2007), 希腊路特奇 (2010), 韩国济州岛(2013)之后,国际分子筛膜会议首次在中国召开,这为从事分子筛膜相关研究的化学家、材料学家、物理学家、化学工程师,以及产业界人士提供了展示和交流的平台,对促进分子筛膜的发展具有十分重要的意义。


(本文原载于《中科院之声》 2016-08-24)


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