【写作竞赛】高选择性二氧化碳捕获封装材料——有机微孔聚合物

近年来,由于二氧化碳的过量排放而导致的全球气候变暖引起了社会的强烈关注。过去100年间,地球温度上升了0.8℃,大气中二氧化碳的浓度应不能超过450 ppm,但在2011年,大气二氧化碳含量已经达到387 ppm,并且在以每年2 ppm的速度上升。所以控制大气中二氧化碳的增长量已成为气候领域的重要任务之一。二氧化碳捕获与封存是在此环境下应运而生的,是目前唯一可以大规模减少在原料转化、工厂和电力行业中因使用化石原料而产生温室气体排放的技术措施。

工业生产排放的气体中除了二氧化碳之外,70%左右为氮气,则如何提高材料捕获二氧化碳的选择性,是一个重要的研究方向。近日,华中科技大学高分子研究所的谭必恩教授课题组在这一方向上取得了可喜的研究进展。在前期工作的基础上,他们直接以噻吩、吡咯和呋喃等小分子单体为构建单元,简单高效地编织得到了孔壁修饰有大量杂原子(硫,氮和氧)的有机微孔聚合物材料,其研究结果发表于Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201202447)。

有机微孔聚合物是近年来材料科学和高分子合成科学领域的研究热点之一,此类材料具有比表面积高、孔径尺寸可调、稳定性好以及合成方法多样等优点,使得其在战略性气体(如甲烷、氢气及二氧化碳)的吸附分离及催化等领域具有广泛的应用前景,得到了世界范围的广泛关注。同时,对温室气体排放的关注,使得越来越多的化学工作者致力于有机微孔聚合物选择性捕获二氧化碳的研究。相比于传统的采用液氨化学吸收二氧化碳的方法,有机微孔聚合物吸附二氧化碳的主要作用属于物理吸附,在二氧化碳吸附后的释放上所需的能量更低,具有很好的吸附—脱附可逆性。

这种由杂环类单体编织而成的材料的氮气吸附-脱附曲线及孔径分布测试表明所得材料的孔径属于微孔范围。高的比表面积,小的孔径尺寸以及孔表面存在的大量杂原子,使此类材料具有显著的二氧化碳吸附能力和选择性。其中,以吡咯为单体合成的超交联材料Py-1,在常压0℃下,二氧化碳的吸附量达到质量分数11.9 %,二氧化碳比氮气的气体吸附选择性高达117。这一选择性居于之前同类报道的前列。

值得强调的一点,此材料合成方法简单,适用单体广泛,原料价格低廉,可以大规模应用于工业生产之中,为二氧化碳捕获与封存技术开辟了一条新的路线。