上海交通大学邹建新教授团队最新Interdisciplinary Materials：镁基材料在气体分离和纯化中的应用综述

第一作者：张宁

通讯作者： 邹建新*，胡志刚*，林羲*

单位：上海交通大学

气体分离和净化是提纯纯净气体或去除气体混合物中不良杂质的重要工艺，在现代社会中发挥着至关重要的作用。具体而言，燃料、塑料和聚合物等各种必需品的生产都依赖于气体分离工艺，包括碳氢化合物分离和碳捕获工艺，以获得足够的化学原料和工业废气脱碳；而含有大量二氧化硫（SO₂）的海洋航行废气则迫切需要高效的脱硫工艺，这在很大程度上依赖于高效的气体分离方法。此外，随着燃料电池和半导体制造等先进产业的迅速崛起，进一步将氢气（H₂）提纯到超高纯度甚至电子级至关重要，因为氮气（N₂）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）和碳氢化合物等杂质即使只有痕量浓度，也会大大降低燃料电池和半导体的性能。因此，开发有效的气体分离和净化策略对于社会努力实现更加环保的未来至关重要。大量研究表明，镁基化合物在各种气体分离过程中都很有效。例如，以镁为基础的船用柴油发动机废气脱硫工艺被证明更稳定、更有效，而且更容易处理副产品和废水；而与其他吸附剂相比，镁基金属有机框架（Mg-MOFs）对 CO₂/H₂ 的吸附选择性明显更高，而镁基氢化物也被认为是有前途的储氢材料，可以以极高的选择性吸收氢气。此外，复合膜材料中的氧化镁可以降低聚合物密度和链压缩，同时由于其具有碱性，对酸性CO2具有很高的亲和力。鉴于镁基化合物在气体分离和净化应用中的丰富性和有效性，这些材料在未来开发具有成本效益的气体分离和净化工艺中必将发挥重要作用。

近日，国际著名学术期刊《Interdisciplinary Materials》发表了上海交通大学邹建新教授团队的综述文章“Developing Advanced Mg-Based Solid-State Materials for Gas Separation and Purification: A Review” (doi.org/10.1002/idm2.12250)，该文章细致全面地总结了镁（Mg）基固态材料在多种气体分离和纯化方面的研究进展与未来发展方向，包括氢氧化镁(Mg(OH)₂)，纳米氧化镁(MgO)，氢化镁(MgH₂)和镁基金属有机框架材料(Mg-MOF-74)等。该论文以上海交通大学为第一单位，材料科学与工程学院邹建新教授、胡志刚副教授与林羲助理研究员为通讯作者，研究生张宁为第一作者。

在基于吸附的气体分离过程中，吸附过程可分为液-气吸附过程和固-气吸附过程。在典型的液-气吸附分离工艺中，通常采用吸收工艺，包括一过性工艺和可循环工艺：总地来说，含有目标气体（通常在分离过程前冷却）的混合气体被送入充满液体溶剂的分离塔中。目标气体成分被吸收或溶解到溶剂中，从而在液相中积累。在一过性工艺中，含有高浓度目标气体或其相应副产品的吸收剂被直接作为废物或副产品处理，无需再生用于下一个吸收循环；而在可循环工艺中，聚集的气体成分通过热处理或化学处理以高纯度气体或其他产品的形式被提取出来，从而使吸收剂可以重复使用，直到其完全失效；对于固-气吸附过程而言，其过程包括两个主要步骤：吸附和再生。在吸附过程中，气体混合物被引入对特定成分具有选择性的吸附床，这一过程由表面附着和扩散驱动，这意味着大部分吸附发生在吸附剂的表面或表面附近；而在再生过程中，可以通过改变压力和温度来实现吸附剂的再生，从而实现可循环的气体分离和纯化过程。

对于基于Mg-MgH₂的高纯度氢气分离过程，已经有大量证明其用于气体分离可行性的实践进行。实践表明Mg-MgH₂系统捕获低压 H2（0.04 bar）的能力非常出色，并且通过改性可以使其有效抵抗CO2和CO等有毒气体的影响而变质，单床H2回收率可达到95%。此外，针对高稳定性Mg基储氢材料的设计也可为基于Mg-MgH₂的高纯度氢气分离过程提供参考，提升其对于杂质气体的稳定性，延长其使用寿命并降低维护成本。目前该系统的限制主要在于Mg-MgH₂系统进行吸脱氢循环所需的高温度，以及材料本身较低的抗毒化性能。

对于基于MgO-MgCO₃的二氧化碳捕集过程，理论计算和实际表征都表明MgO对CO₂的吸附具有强烈选择性，理论吸附量 达到24.8 mmol/g，高于大多数吸附剂，这表明它具有大规模应用于二氧化碳捕获的潜力。此外，与 CaO 等其他碱土金属氧化物相比，氧化镁与二氧化碳分子之间合适的结合能使其能够在中温区（200°C-400°C）内循环工作，且部分杂质气体（如水蒸汽等）甚至可以促进二氧化碳的吸附。所有上述特性都表明，氧化镁是一种具有竞争力的吸附剂，能有效地捕获二氧化碳。为了扩大氧化镁-CO₂ 吸收-解吸系统在实际二氧化碳捕集应用中的应用，还需要对材料开展进一步优化，重点是改进其吸附动力学，提升其吸附效率。

对于基于Mg-MOF-74的二氧化碳捕集和有毒气体分离过程，一般来说，镁基 MOFs 具有高比表面积、对特定气体分子的强亲和力和高可逆性等特点，其吸附性质为强物理吸附。Mg-MOF-74细腻的多孔结构和高暴露的镁吸附位点使其对不同气体分子具有显著的吸附偏好，包括CO₂以及一系列酸性气体，如SO₂，H2S，氮氧化物等。而且在大多数情况下，物理吸附的性质表明 Mg-MOF-74 可以在温和的条件下再生，这进一步意味着其在实际气体分离过程中具有深厚应用潜力。要扩大镁基 MOFs 在气体分离中的应用，还需要在提高比表面积和降低生产复杂性方面下功夫，使用镁基 MOFs 分离不同气体混合物的做法也有待进一步探索。

一般而言，由于传统聚合物膜和无机膜所面临的障碍，需要使用混合基质膜（MMM）进行气体分离。在聚合物基质中加入纳米粒子填料，可以通过引入分子筛分效应、结构破坏和物理阻隔来改变不同气体分子的渗透性。而Mg基材料如 Mg-MOF-74、纳米级氧化镁对酸性气体（如 CO₂）具有固有的亲和性，因此被广泛用作MMM的纳米粒子填充，从而实现多种混合气体体系的有效膜分离。

Developing Advanced Mg-Based Solid-State Materials for Gas Separation and Purification: A Review”

邹建新教授简介：邹建新，上海交通大学材料学院特聘教授，教育部长江学者、英国皇家化学会会士、氢科学中心副主任、国家重点研发计划首席科学家、氢电储能联合实验室主任。主要从事镁基能源材料方面的基础研究与应用开发工作，已在Science、Energy Environ. Sci、Adv Mater、Adv Energy Mater、Nano-Micro Lett等期刊上发表论文190余篇，被引超过8300次（H因子=50），获评“全球前2%顶尖科学家”，担任Nano-Micro Lett等国际期刊副主编；获得发明专利20多项，其中5项专利转让于企业，授权PCT专利3项，日本专利1项，美国专利1项。曾获2023年中国有色金属工业科学技术奖一等奖，2018年上海市技术发明二等奖，2021年国际镁学会年度产品奖，2023年国际镁协未来技术奖，2024年IEA Hydrogen TCP奖等。

张宁：上海交通大学在读硕士研究生，本科毕业于上海交通大学材料科学与工程学院，导师邹建新教授。目前研究方向为镁基固态储氢材料。