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大連理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院薛闖教授團(tuán)隊(duì)與大連理工大學(xué)精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田東旭副教授、邱介山教授、趙宗彬教授和物理學(xué)院高飛副教授團(tuán)隊(duì)合作，在碳納米管分離膜純化醇類(lèi)生物能源研究方面取得新進(jìn)展。薛闖教授及論文第一作者博士生楊德才、田東旭副教授等以“Tuned Fabrication of the Aligned and Opened CNT Membrane with Exceptionally High Permeability and Selectivity for Bioalcohol Recovery”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Nano Letters，并被選為雜志補(bǔ)充封面論文（Supplementary Journal Cover）。

由于石油資源逐漸枯竭和大氣污染日益嚴(yán)重，乙醇和丁醇作為代表性的生物燃料受到強(qiáng)烈關(guān)注。目前生物法生產(chǎn)生物醇面臨的主要問(wèn)題是微生物對(duì)產(chǎn)物的脅迫耐受性差，導(dǎo)致產(chǎn)物濃度低，下游產(chǎn)品分離能耗高等突出問(wèn)題。由于滲透汽化具有分離效率高、能耗低、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的分離技術(shù)，但是當(dāng)前滲透汽化膜存在在滲透性和選擇性之間不可兼得的問(wèn)題。目前研究最多的滲透汽化膜材料為聚二甲基硅氧烷（PDMS），模擬結(jié)果表明小分子在PDMS中的擴(kuò)散屬于“空穴跳躍擴(kuò)散理論”，即擴(kuò)散并非是連續(xù)的，而是原地的小幅震動(dòng)與大幅的跳躍相結(jié)合，使其擴(kuò)散速率較低。碳納米管（CNT）內(nèi)外壁非常光滑，摩擦力小，有利于分子的快速傳輸，可作為理想的膜填充材料。但是傳統(tǒng)的共混制備法，使得CNT在膜中無(wú)規(guī)聚集，無(wú)法有效控制和進(jìn)一步提高CNT膜的結(jié)構(gòu)和性能。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，研究者們發(fā)現(xiàn)垂直排列的CNT具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如單分散的納米孔道、水分子可快速通過(guò)等，使其在膜分離領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

針對(duì)以上難題，該研究團(tuán)隊(duì)利用垂直取向的CNT陣列作為原料，采用低溫等離子體對(duì)CNT刻蝕開(kāi)口，通過(guò)滲透填充的方法首次制備了類(lèi)似“漢堡”結(jié)構(gòu)的垂直定向兩端開(kāi)口CNT/PDMS復(fù)合膜，實(shí)現(xiàn)了碳納米管在高分子介質(zhì)中的均勻分布，并保持了碳納米管的高度取向。該復(fù)合膜打破了傳統(tǒng)CNT共混膜的填充極限，達(dá)到37.4 wt%，同時(shí)還兼具優(yōu)異的機(jī)械性能。同時(shí)，膜內(nèi)兩端開(kāi)口的CNT陣列提供了納米級(jí)（~10 nm）的運(yùn)輸通道遠(yuǎn)大于PDMS埃級(jí)別（~5 Å）的跳躍空穴，極大的提高了滲透分子的擴(kuò)散速率，具有滲透汽化-超濾機(jī)制的復(fù)合膜對(duì)生物醇的分離性能顯著提升（最大提高9倍）。此外，研究人員通過(guò)DFT理論計(jì)算表明，丁醇、乙醇和水分子與CNT管內(nèi)側(cè)的吸附能大于管外和PDMS，使?jié)B透分子在膜內(nèi)擴(kuò)散首選CNT管內(nèi)，從而提高了復(fù)合膜對(duì)生物醇分子的滲透性和選擇性。這種“漢堡”結(jié)構(gòu)的垂直定向兩端開(kāi)口CNT/PDMS復(fù)合膜，打破傳統(tǒng)膜存在的滲透性-選擇性之間難以權(quán)衡的問(wèn)題，為分離膜的制備提供了一種全新的思路，并可以顯著提升生物能源醇類(lèi)分離的經(jīng)濟(jì)性，使醇類(lèi)生物能源生產(chǎn)過(guò)程更有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省高等學(xué)校創(chuàng)新人才支持計(jì)劃，大連市青年科技之星，大連市基金，大連理工大學(xué)優(yōu)秀青年人才科研專(zhuān)題，大連理工大學(xué)“星海學(xué)者”人才培育計(jì)劃等的聯(lián)合資助。

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