双碳目标下，“捕获”二氧化碳（CO2），发展低能耗、环境友好的CO2选择性分离膜具有重要意义和价值。近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员杨维慎、副研究员彭媛团队在纯相共价有机框架气体分离膜方面取得新进展，以二维共价有机框架（COFs）纳米片为分离膜构筑基元，诱发错排缩孔效应，成功将COFs的孔径缩小，实现小分子气体CO2的高效分离。相关成果发表在《德国应用化学》上。
长久以来，针对混合气体的高效分离，研究人员将目光聚焦在拥有较小孔径的金属—有机框架材料上，而COFs由于孔径大于0.8纳米，一直被用作液体分离，难以精确分离小分子气体。为了构建具有高效CO2分离性能的纯相二维COFs膜，研究团队提出错位堆叠COFs纳米片以缩小孔径的设想，“这就像把大孔的渔网错位叠在一起网住小鱼一样”，彭媛说。
要拆解重新组装，必须得有极薄的COFs纳米片。在前期研究基础上，该团队以三种不同表面化学和孔径的层状COFs材料为研究对象，发展出一种弱酸性溶剂剥层，并辅以温和机械外力的方法，将厚度约3000纳米的COFs材料剥离为厚度约2纳米、尺寸达微米级的系列超薄纳米片层。而后，通过精确控制纳米片错排组装策略，成功构建出孔径尺寸适合CO2分离的纯相COFs膜；此外，COFs有丰富的表面官能团，能够选择识别和吸附CO2。实验结果表明，COFs纳米片错排缩孔效应与骨架对CO2选择性吸附特性的协同作用诱发了气体在膜内表面扩散机制，实现了CO2/氢气（H2）混合气中大分子CO2优先渗透分离，分离性能达到工业应用需求。
杨维慎表示，不同种类的COFs孔径不同，经过改造后或可实现其他气体的分离，这为开发新型COFs气体分离膜材料提供了新思路。