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對於廣泛的行業來說，瓦斯分離是過程和產品的重要組成部份-從用於醫療目的的空氣中分離氮氣和氧氣到在碳捕獲過程中從其他瓦斯中分離二氧化碳或從天然氣中去除雜質。
然而，分離瓦斯既耗能又昂貴。
「例如，在分離氧氣和氮氣時，你需要將空氣冷卻到非常低的溫度，直到它們液化。然後，透過緩慢提高溫度，瓦斯將在不同的點蒸發，使其中一種再次變成瓦斯並分離出來，」科羅拉多大學博德分校化學教授兼化學系主任張偉解釋說。「這是非常能源密集和昂貴的。」
許多瓦斯分離依賴於瓦斯透過並分離的多孔材料。這也是一個長期存在的問題，因為這些多孔材料通常是特定於被分離的瓦斯型別的。試著用其他型別的瓦斯穿過它們，它們都不起作用。
然而，在今天發表在【科學】雜誌上的一項研究中，張和他的合作研究人員詳細介紹了一種新型多孔材料，這種材料可以容納和分離許多不同的瓦斯，而且是由常見的、現成的材料制成的。此外，它結合了剛性和靈活性，使基於尺寸的瓦斯分離能夠在大大降低能源成本的情況下發生。
「我們正在努力使技術變得更好，」張說，「並以一種可延伸和永續的方式改進它。」
增加了靈活性
長期以來，用於瓦斯分離的多孔材料是剛性的，並且根據所分離的瓦斯型別具有親和性。剛性使得孔隙能夠被明確定義，並有助於指導瓦斯的分離，但也限制了瓦斯的數量，因為不同的分子大小可以透過。
幾年來，張和他的研究小組一直致力於開發一種多孔材料，這種材料在剛性多孔材料的連線節點上引入了柔韌性元素。這種靈活性使得分子連線體可以振蕩，或者以一定的速度來回移動，從而改變材料中可進入的孔隙大小，使其適應多種瓦斯。
張說:「我們發現，在室溫下，孔隙相對最大，柔性接頭幾乎不動，所以大多數瓦斯可以進入。」「當我們將溫度從室溫提高到約50攝氏度時，連結器的振蕩變得更大，導致有效孔徑縮小，因此更大的瓦斯無法進入。如果我們繼續提高溫度，更多的瓦斯由於振蕩的增加和孔隙尺寸的進一步縮小而被拒之門外。最後，在100度的溫度下，只有最小的瓦斯，氫氣，才能透過。」
張和他的同事們開發的材料是由小有機分子組成的，與沸石最相似，沸石是一種多孔的晶體材料，主要由矽、鋁和氧組成。
「這是一種多孔材料，有很多高度有序的孔隙，」他說。「你可以把它想象成一個蜂巢。它的大部份是固體有機材料，這些有規則大小的孔隙排列並形成通道。」
研究人員使用了一種相當新型的動態共價化學，專註於硼氧鍵。利用硼原子周圍有四個氧原子，他們利用硼和氧之間鍵的可逆性，這種鍵可以一次又一次地斷裂和重組，從而實作自我糾正、防錯行為，並導致結構有序框架的形成。
張說:「我們想要構建一些具有可調性、響應性和適應力的東西，我們認為硼氧鍵可能是一個很好的組成部份，可以整合到我們正在開發的框架中，因為它具有可逆性和靈活性。」
永續的解決方案
開發這種新型多孔材料確實需要時間。
張說:「制作這種材料很簡單。困難是在一開始，當我們第一次獲得這種材料，需要理解或闡明它的結構——鍵是如何形成的，這種材料內部的角度是如何形成的，它是二維的還是三維的。我們遇到了一些挑戰，因為數據看起來很有希望，我們只是不知道如何解釋它。它顯示出某些峰(x射線繞射)，但我們不能立即弄清楚這些峰對應的是哪種結構。」
因此，他和他的研究同事退了一步，這可能是科學過程中一個重要但很少討論的部份。他們專註於小分子模型系統，其中包含與他們材料中相同的反應位點，以了解分子構建塊是如何在固態中包裝的，這有助於解釋數據。
張補充說，他和他的合作研究人員在開發這種材料時考慮了可延伸性，因為它的潛在工業用途需要大量的材料，「我們相信這種方法具有高度的可延伸性。這種構建模組可以在市場上買到，而且價格不貴，所以當時機成熟時，它可以被工業采用。」
他們已經為這種材料申請了專利，並正在繼續研究其他建築材料，以了解這種方法的基板範圍。Zhang還表示，他看到了與工程研究人員合作將這種材料整合到基於膜的套用中的潛力。
「膜分離通常需要更少的能量，所以從長遠來看，它們可能是更永續的解決方案，」張說。「我們的目標是改進技術，以永續的方式滿足行業需求。」
