中科院煤化所李南文研究员联合大连理工大学贺高红、马沧海教授以及湖北科技学院陈秀玲博士，基于原子层沉积（ALD）技术，通过原位生成原子级分布的AlF3纳米颗粒，精准调控炭分子筛膜的孔径分布，实现了对H242422等气体的高效分离。相关论文以“Atomically distributed Al-F3 nanoparticles towards precisely modulating pore size of carbon membranes for gas separation”为题，发表在Nature Communications, 论文第一作者为陈秀玲，通讯作者为张斌，马沧海，贺高红，李南文。摘要：中科院煤化所李南文研究员联合大连理工大学贺高红、马沧海教授以及湖北科技学院陈秀玲博士，基于原子层沉积（ALD）技术，通过原位生成原子级分布的AlF
图1 ALD调控6FDA-TFDB-x炭分子筛膜的孔径示意图
FDA-TFDB-x 炭分子筛膜的XPS结果显示，ALD沉积Al23323333能够精准调控6FDA-TFDB-x炭分子筛膜的孔径分布，从而提升膜的分离性能。图2，前驱体和炭分子筛膜的XPS表征
进一步利用液体和固体核磁、原位TGA-FTIR技术对6FDA-TFDB-x的原膜和炭分子筛膜进行分析，结果证明原膜中的Al-O 键逐步形成Al-F键，并且随着ALD循环次数的增加，Al-O 键减少，Al-F键增加，TGA-FTIR进一步证明含氟气体的释放质量随着循环次数的增加逐渐减少，说明随着ALD循环次数的增加，更多Al23与含氟气体反应生成Al-F键，如图3所示。图3，核磁，红外和原位TGA-FTIR结果
为了进一步证明ALD技术可以精准调控6FDA-TFDB-x炭分子筛膜的孔径分布，通过N2吸附和DFT模型对孔径进行分析，结果显示6FDA-TFDB CMS膜的平均孔径为6-11 Å。ALD处理之后，CMS膜的平均孔径减小至5.5-8.0 Å（如图4）。与原始的6FDA-TFDB CMS膜相比，6FDA-TFDB-x CMS膜的孔径明显减小，这表明ALD技术可以实现精准调控的炭分子筛膜的孔径分布，形成具有精准筛分作用的超微孔，进一步增强炭分子筛膜的分子筛分性能。通过纯气和CO242422的选择性，分离性能均超越了最新分离上限（如图4）。图4. 6FDA-TFDB-x炭分子筛膜的孔径分布和性能
此外，对6FDA-TFDB-x炭分子筛膜进行600 h的稳定性测试。未经过ALD处理的6FDA-TFDB炭分子筛膜CO2的渗透性降低至70.3%，而ALD处理之后的6FDA-TFDB-x炭分子筛膜CO224的选择性提高到93.9，证明ALD处理之后的6FDA-TFDB-x炭分子筛膜具有优异的抗老化性能。图 5. 混合气体的气体分离性能、抗塑化和老化性能。
本研究提出的ALD技术为精准调控炭分子筛膜的孔径及性能提供了一种高效且简便的方法，同时显著提升了膜的抗老化性能，具有较好的普适性与广泛的实际应用前景。
来源：高分子科学前沿
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