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03
2026
-
02
Science：二维纳米片膜实现分子分离
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氢的分离与提纯是绿氢能源规模化应用的关键环节。基于二维（2D）材料的膜技术为该过程提供了一种节能的解决方案；然而，现有的二维层状膜与纳米孔膜普遍面临渗透率低、制备工艺复杂的难题。本研究通过将纳米孔状聚合氮化碳（PCN）纳米片组装为层状膜，构建了具有本征尺寸筛分纳米孔的二维层状纳米片膜。该类膜兼具高选择性、高渗透率与制备简便性的优势。进一步采用 MXene 作为强相互作用 “补丁”，对 PCN 纳米片表面的缺陷进行覆盖与修复，所制备的复合膜展现出氢气渗透率（870~8046 GPU）、优异的分离选择性与长期稳定性，性能优于当前多数先进分离膜。经济性分析表明，MXene/PCN 复合膜在实际应用中可实现极低能耗，且所需膜面积极小。本研究为构建含本征纳米孔的二维层状膜提供了新思路，并为氢气分离领域高性能二维纳米片膜的制备提供了一种简便、可规模化的策略。
研究构建了具有本征面内纳米孔的二维层状纳米片膜，并提出了一种用于氢气分离的纳米片膜缺陷修复策略。MXene 与聚合氮化碳（PCN）之间的强界面相互作用促进了纳米片的有序堆叠，并修复了 PCN 纳米片上的缺陷。实验结果与分子动力学（MD）模拟均凸显了缺陷调控在二维纳米孔纳米片膜中的重要性，阐明了 MXene 在氢气分离过程中修复 PCN 纳米片缺陷的关键作用。得益于 PCN 纳米片的孔径分布与 MXene 的缺陷修复效果，MXene/PCN 纳米片膜实现了 870~8046 GPU 的c高氢气渗透率与优异的分离选择性，该性能超越了现有绝大多数先进分离膜。MXene/PCN 纳米片膜内的气体传输以尺寸筛分效应为主导，而非努森扩散。此外，该复合膜在长达 130 小时以上的连续测试中，仍保持着优异的稳定性与分离性能。经济性分析表明，MXene/PCN 纳米片膜在实际氢气分离应用中，压缩能耗低且所需膜面积极小。本研究证实了 MXene/PCN 纳米片膜在实际氢气分离应用中的巨大潜力。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/asG7LZNrvLTmPgbweUG6ew
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