南京工业大学周荣飞教授、潘宜昌教授、邢卫红教授和徐南平院士 在Advanced Membranes Advanced Microporous Membranes for H2 /CH4 Separation: Challenges and Perspectives ”的综述。作者提出了先进微孔膜（Advanced microporous membranes, AMMs）的概念，将具有有序微孔、孔道功能化并表现出优异传质行为和稳定性的微孔膜定义为先进微孔膜，其特性为渗透速率/选择性高于已有商业聚合物膜数量级以上。氢/烃（甲烷为代表）分离是石化工业制氢的必要过程，膜分离是实现气体高效分离的共性技术，研制先进微孔膜材料是关键所在。论文重点介绍了四类先进微孔膜（AMMs）在H2 /CH4 分离领域的最新研究进展，分析了AMMs在H2 /CH4 分离领域所面临的挑战，指明了AMMs在H2 /CH4 分离领域的发展方向。1. 背景介绍
天然气重整、石油化工炼油、弛放气氢回收等制氢过程都涉及氢/烃（以甲烷为代表）的分离过程。作者总结了四类典型AMMs（图1 ）在H2 /CH4 分离领域的最新研究进展。 图1. 面向氢气/甲烷分离的四类典型微孔膜
2. 沸石膜
具有八元环（8MR）和六元环（6MR）孔道的沸石膜为H2 /CH4 混合物提供精准的分子筛分。八元环高硅CHA型沸石膜的分离性能最优异，H2 渗透速率是商业聚酰亚胺膜的100倍，在室温和高温下表现出优异的耐湿性和抗杂质烃能力（图2 ）。推进其在典型工业应用（例如乙烯工业中H2 分离）具有重大意义。消除合成和模板剂脱除过程中的缺陷是沸石膜未来研究的重点。
图2. 沸石分子筛膜制备与H2 /CH4 分离性能
3. MOF膜
ZIF膜具有合适的孔窗尺寸，是H2 /CH4 分离的理想膜材料之一。新型MOF-in-COF策略有利于降低有效孔径，提高膜层对H2 /CH4 体系的筛分能力。二维MOF纳米片膜由于其优势取向和高的传质效率，在高效分离H2 /CH4 方面表现出很大的潜力（图3 ）。如何获得高纯度的MOF纳米片以及如何制备单层沉积的二维MOF膜是未来研究重点。为适应苛刻分离体系，开发更具刚性的MOF膜和更稳定的改性层将是MOF膜的另一重要研究方向。
图3. 二维MOF膜构筑及单气体渗透属性
4. 微孔碳基膜
碳分子筛（CMS）膜的微观结构可调，使CMS膜具有出色的H2 /CH4 选择性。支撑型CMS膜有效减弱了CMS自身的脆性。未来的研究方向包括：开发载体改性方法、制备超薄和连续的支撑型CMS膜以及提高CMS抗老化性。 GO和r-GO膜由于其精确的分子筛分特性，对H2 /CH4 体系表现出优异的分离性能（图4 ）。单层GO膜实现了具有里程碑意义的H2 /CH4 分离性能，达到AMMs标准。但是大规模制备这种超薄膜并实现实际应用仍极具挑战性。GO和r-GO膜在长期稳定性仍需进一步改善，尤其是在高温和高压条件下的稳定性目前尚难以满足应用需求。
图4 . 单层石墨烯膜的制备与氢气/甲烷分离性能
5. 微孔聚合物膜
PIMs和TR聚合物基于不同的刚性链结构呈现出精细可调的微孔结构，实现了从结构优化到性能提高的良性转变。基于Trip的微孔聚合物具有最佳的气体分离性能。PIM膜的H2 渗透能力比商用聚酰亚胺膜高1个数量级以上（图5 ）。未来研究主要方向为开发薄的支撑型膜用于实际分离体系以及解决膜的老化问题。
图5. PIM膜的结构模型和氢气/甲烷分离性能
6. 总结与展望
AMMs应用于H2 /CH4 体系的分离性能超出了Robeson上限（图6 ）。作者提出具有工业应用前景的AMMs分离性能的目标区域：H2 渗透率≥2000 GPU和H2 /CH4 选择性≥40。目前，单层多孔石墨烯膜、二维MOF膜和超薄CHA型沸石膜已展现出较好的发展前景。未来应面向实际H2 /CH4 应用场景，构筑稳定结构的AMMs材料；着力开展一些有应用前景的AMMs的工程设计，实现高效制氢目标；更多关注膜的形成机理和分离机理，建立膜微结构与超高分离性能的关系。
7. 文章信息
本文以“Advanced MicroporousMembranes for H2 /CH4 Separation: Challenges andPerspectives”为题发表在Advanced Membranes期刊，共同一作为周荣飞教授和潘宜昌教授，通讯作者为南京工业大学邢卫红教授，共同作者为南京工业大学徐南平院士。该工作得到国家自然科学创新研究群体基金（21921006）项目的支持。
文章链接 ：https://doi.org/10.1016/j.advmem.2021.100011（点击阅读原文获取全文）
引用信息：
R. F. Zhou, Y. C. Pan, W. H. Xing, N. P. Xu, Advanced microporous membranes for H2 /CH4 separation: Challenges and perspectives. Advanced Membranes 1 (2021) 100011.
共同第一作者：周荣飞
周荣飞，工学博士，南京工业大学教授，研究方向为分子筛膜结构调控、制备、气体分离和膜反应器。发表科研论文40余篇，申请发明专利10余项。承担国家自然科学基金和企业项目十余项。
共同第一作者：潘宜昌
潘宜昌，工学博士，南京工业大学化工学院副院长、教授。研究方向为气体膜分离。发表科研论文50余篇，申请发明专利8项。获得国家自然科学基金优秀青年基金（2020）等资助。
通讯作者：邢卫红
邢卫红，工学博士，南京工业大学教授、国家特种分离膜工程技术研究中心主任。研究方向为膜材料设计、制备与应用。获得国家自然科学基金杰出青年基金项目、国家自然科学基金创新群体项目等资助，以第一完成人两次获得国家科技进步二等奖。发表科研论文300余篇，授权发明专利近百件。 Adv Membr期刊是开放获取（Open Access, OA）刊物，所有刊载论文可被同行免费下载、参阅和引用，传播范围广，影响力大。期刊采用Elsevier的编辑系统Editorial Manager，投稿、同行评审过程高效。所有文章将经过严格的同行评审，文章一经收录，将在Science Direct数据库开放获取。Elsevier、KeAi及编辑部将通过多方渠道宣传推广论文。编辑部将在每年刊载的论文中评选出优秀论文奖，以表彰为膜领域创新发展做出积极贡献的作者。 诚挚邀请广大科研人员在Adv Membr期刊发表高水平论文。有关投稿、合作等相关事宜可咨询期刊编辑部邮箱（advmembr@njtech.edu.cn）。 期刊主页
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