在能源緊缺與溫室效應等問題日益突出的背景下，通過發展低能耗、低碳排放量的膜分離技術，實現二氧化碳及氫氣等重要工業氣體的分離已經成為全球性的熱點。
目前, 商業化的氣體分離膜主要為聚合物膜。然而，聚合物氣體分離膜存在一個滲透率-選擇性之間的 trade-off。
將氧化石墨烯（GO）、Mxenes、過渡金屬二硫族化合物、雙層水滑石等二維材料納米片組裝成層狀膜時，其間隙可被用於提供分子傳輸通道，通過調整層間間距和化學機械穩定性，可以控制二維材料膜的選擇性和滲透性，進而突破其滲透率-選擇性之間的 trade-off。
然而, 二維材料膜內部孔道的尺寸，導致其難以在埃米級小分子尺度實現精準的控制（埃米級相當於把一根頭髮再平均剖成 10 萬根）。
此外，在成膜的時候，二維納米片的堆疊通常是無序的，很容易形成大孔或者缺陷，以至於失去選擇性。所以，如何實現膜孔道尺寸的精確調控、以及規避因無序堆疊所造成的缺陷具有重要的意義。
基於此，來自澳大利亞莫納什大學、南京工業大學以及中國科技大學的研究人員，提出一種製備二維范德瓦爾斯異質結構陣列的方法，並附帶提出一種通過多層堆疊將其製備成異質結構膜的方法。
日前，相關論文以《熱解層狀異質結構納米片氫分離膜》（Pyro-layered heterostructured nanosheet membrane for hydrogen separation）為題發在 Nature Communications 上 [1]，Ruoxin Wang 是第一作者，澳大利亞莫納什大學王煥庭院士、南京工業大學劉澤賢教授、以及中國科技大學王奉超教授擔任共同通訊作者。
具體來說，在製備殼聚糖和氮化硼納米片前驅體膜之後，要把前驅體膜置於惰性氣體氛圍下進行高溫熱解。
此時，殼聚糖聚糖前驅體會轉化為石墨烯，而氮化硼因其耐高溫的特性會變成異構體膜的骨架。
這時，以氮化硼作為支架，可以調控石墨烯納米片之間的間距，從而構築具有埃米級孔道的異質結構膜，實現二氧化碳及氫氣等重要工業氣體的選擇性分離。
如能解決穩定性、放大可能性等技術難題，此次製備埃米級孔道異質結構膜的方法，有望替代現有的深冷分離和變壓吸附法，從而能夠用於整體煤氣化聯合循環系統中，進而實現二氧化碳和氫氣分離，藉此為氫氣純化提供能耗低、環境友好且簡單易行的方案。此外，也可拓展至水處理、離子分離、海水淡化、有機溶劑納濾等領域。
據了解，劉澤賢此前所在的王煥庭院士團隊一直致力於製備具有不同納米通道的二維材料膜，並將其應用於氣體分離和海水淡化。
劉澤賢初次接觸到氮化硼納米材料是在 2015 年，已經在澳洲獲得博士學位的他，正在英國做博士後研究。期間，他曾探索過不同的氮化硼納米管及其納米片的製備方法。
相比石墨烯材料，氮化硼納米片的化學穩定性和溫度穩定性更高，更適用於高溫轉化、高溫重排等苛刻的膜製備方法。基於此，他和當時的所在團隊產生了如下想法：在高溫熱解環境下，將殼聚糖轉化為石墨烯納米片，並以氮化硼納米片作為支架調控石墨烯納米片之間的間距，可以製備具有埃米級孔道的異質結構膜。
有了初步設想之後，他們開始總結之前報導中的膜製備方法和技術，以明確該領域中的主要進展及挑戰，並根據此來設計實驗。
由於整個前驅體體系、以及膜製備方式等因素，實驗方案做過數次改變。期間，他們不斷推倒重來，整個實驗過程非常漫長。
劉澤賢表示：「當時正逢新冠，我們所在的地區大部分時間都處於 lockdown 的狀態，工作狀態並不理想。後來，經過多次摸索之後終於優化了材料特性，並找到了相對合適的配比和熱解條件，最終合成了強度、韌性較優、且氫氣分離性能相對理想的膜材料。」
未來，他們計劃進一步優化膜製備工藝，提高膜的分離性能。比如，通過調控材料配比、交聯劑和製備溫度等條件，或通過引入特定的功能化基團或納米材料、等離子改性等對膜表面進行修飾。
其次，他們將探索這種二維材料膜在氣體分離、離子分離、海水淡化等領域的實際應用潛力，並將評估其在能源、環境領域中的應用前景。
最後，其還計劃與產業界合作，進一步開展膜放大研究、評估該技術的商業化前景、制定合適的商業化戰略，最終將該技術轉化為產品，為社會的發展做出積極的貢獻。
據介紹，近年來劉澤賢一直在研究基於能源高效新型超微孔膜製備技術的開發，包括金屬有機框架和二維納米片等，並嘗試將其用於海水淡化、礦物回收和氣體分離。
迄今為止，他已經在化工類和材料類國際知名期刊上發表了 70 余篇 SCI 論文，涵蓋 Chem. Rev.、Nat. Commun.、J. Membr. Sci.、Chem. Eng. J. 等期刊。
2022 年 7 月，劉澤賢回國加入南京工業大學國家特種分離膜工程技術研究中心擔任教授。
他表示：「如何實現二維材料膜的連續製備並降低其生產成本，一直以來都是一個巨大的難題。現有的製備路線需要在氬氣環境下進行高溫處理，並以陶瓷基底作為載體。未來如能結合南京工業大學研發的多通道陶瓷管，在陶瓷管的內壁上製備異質結構膜，實現膜產品的放大，並結合現有氣體分離工藝，則有望帶來具有示範作用的應用案例。」
參考資料：
1.Wang, R., Qian, J., Chen, X.et al. Pyro-layered heterostructured nanosheet membrane for hydrogen separation. Nat Commun 14, 2161 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37932-9