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在碳达峰及炭中和背景下，实现二氧化碳选择性膜分离具有重要意义。二维共价有机框架（covalent organic frameworks, COFs）材料具有永久性一维直通孔道，丰富的表面官能团以及优异稳定性，在二氧化碳膜分离领域具有巨大应用潜力。然而，绝大多数层状COFs孔径大于0.8 nm，对于动力学直径0.3~0.4 nm范围的小分子气体难以实现精确分离，如氢气（0.29 nm）、二氧化碳（0.33 nm）等。因此，构建具有高效二氧化碳分离性能的纯相二维COFs膜面临巨大挑战。
近日，中国科学院大连化学物理研究所的杨维慎研究员和彭媛副研究员在前期研究基础上，以三种不同表面化学性质和孔径的层状COFs材料为研究对象，发展了一种弱酸性溶剂剥层辅助以温和机械外力的方法，将其剥离为厚度~2 nm、尺寸达微米级的系列超薄纳米片（图1），并通过精确控制纳米片错排组装策略，成功构建了孔径尺寸适合二氧化碳分离的纯相COFs膜，实现了CO2/H2混合气中大分子CO2优先渗透分离（图2）。
图1. (a) 三种COFs骨架结构及表面化学示意图；(b-d) 三种COFs粉体SEM图以及对应纳米片的SEM图 (e-g) 和AFM图 (h-j) 图2.高性能CO2/H2分离错排COFs纳米片膜 作者通过系统、深入研究认为， COFs骨架对CO2选择性吸附特性与纳米片错排缩孔效应协同作用成功诱发了气体在膜内表面扩散机制，使得CO2分子优先透过而实现CO2选择性分离，分离性能达到工业应用需求（图3）。 图3. (a) COFs纳米片膜CO2/H2混气分离性能；(b) 与聚合物膜、复合膜性能对比； (c) 分离稳定性；(d) 单组分气体渗透；(e) 不同原料浓度分离性能以及 (f) 含水原料气下分离性能 该工作首次实现了纯相COFs膜在CO2/H2混合气体系中CO2的选择性分离，为开发新型COFs气体分离膜材料提供了一种新思路。 论文信息： Single-Phase Covalent Organic Framework Staggered Stacking Nanosheet Membrane for CO2-Selective Separation Pengyuan Wang, Yuan Peng,* Chenyu Zhu, Rui Yao, Hongling Song, Lun Kun and Weishen Yang* 论文第一作者王鹏远博士负责实施实验。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202106346
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