超快分离氢气的新型纳米薄膜

氢能因零碳排放和高能量转换效率，被视为能源与环境危机下的可持续替代方案。然而，大规模制氢（如甲烷重整）需进一步提纯氢气。与变压吸附、低温蒸馏等传统方法相比，膜分离技术高效、易操作且能耗低，但传统聚合物膜存在渗透性与选择性的权衡问题。
二维（2D）膜因有序结构革新了膜材料设计，分为层状膜（如氧化石墨烯、MXene）和纳米多孔膜（如MOFs、COFs）。层状膜利用层间纳米通道实现高效筛分，但层间距控制严格且传输通道曲折，导致气体渗透通量低；纳米多孔膜虽有固有纳米孔和短传输路径，渗透通量较高，却面临制备复杂、产率低和孔径不匹配等问题。
本研究提出将纳米多孔纳米片组装成层状膜的策略，兼具两者优势：充足纳米孔缩短传输路径（高渗透通量）、合适孔径提供选择性筛分（高选择性）、自组装简化制备（易规模化）。选择聚合氮化碳（PCN）作为二维纳米多孔材料，因其固有纳米孔丰富、孔径约3.11 Å、制备成本低，理论上H₂分离选择性高。但PCN纳米片在剥离过程中易形成缺陷，导致气体优先通过大缺陷而非固有纳米孔，分离性能下降。
为此，研究用MXene作为“补丁”，利用其与PCN的强界面相互作用（范德华力、静电力、氢键）覆盖和修复PCN纳米片缺陷。通过真空过滤法将MXene/PCN纳米片有序堆叠在多孔α-Al₂O₃基底上制备膜。表征显示，MXene有效修复了PCN的表面缺陷（10-50 nm），膜具有明显层状结构，机械强度和稳定性增强。
性能测试表明，MXene/PCN膜H₂渗透通量达870-8046 GPU，H₂/CO₂选择性约30.21，H₂/N₂约17.37，超过多数现有膜材料，且在130小时连续测试中稳定性优异。混合气体分离中，H₂/CO₂分离因子为23.77。经济分析显示，该膜能耗低（1.62-1.96 GJ/t）、所需膜面积小（约554313.5 m²），具有实际应用潜力。
综上，本研究构建了含固有纳米孔的二维层状膜，提出缺陷修复策略，为高效、低能耗的氢分离提供了简单可规模化的方法。