氢气作为绿色能源载体和基础化学品，在清洁能源生产及化学合成领域具有重要价值。然而，大规模氢气生产制氢的主要途径，如天然气重整，煤制氢等，均会同时产生二氧化碳，还需进行氢气与二氧化碳的分离。当前，新兴的膜分离技术为实现高效节能的氢气/二氧化碳分离提供了新契机。MFI型沸石膜凭借其高度有序的亚纳米孔径和卓越的热化学稳定性，被广泛认为是气体筛分领域具有应用前景的材料。通常，制造高性能沸石膜需要使用有机结构导向剂（OSDAs），并在制备完成后填充满沸石膜的孔道，需对其进行去除以打开沸石膜孔道。但是，OSDAs完全去除后MFI沸石膜固有孔径（5.5 Å）远大于氢气（2.89 Å）和二氧化碳（3.30 Å）的分子尺寸。如果OSDAs能被精细控制去除程度，将可调控沸石膜孔径的大小，以实现氢气/二氧化碳的有效分离，对于氢气的生产具有重大意义。

 面对这一难题，华南理工大学樊栓狮教授团队利用氢气裂化技术，对沸石膜孔道的OSDAs进行精准调控脱除，使其对氢气和二氧化碳具有分离选择性。在本研究中，通过控制沸石膜在氢气气氛中的活化温度和持续时间，使沸石膜孔道的OSDAs部分分解，其余部分仍残留在孔道中修饰沸石膜的孔道结构，通过此技术制备了可用于H2/CO2分离的MFI沸石膜。本研究证实了利用氢气裂化技术对沸石通道的OSDAs可控分解的可行性，并为开发新型沸石膜提供了新方向。

图1为MFI沸石膜在氢气氛围下不同时间和不同温度下单气体的渗透率和H2/CO2选择性 （以a为例，MH代表沸石膜，300代表活化温度为300℃，8代表活化时间为8 h）。随着煅烧温度和持续时间的增加，MFI沸石膜的气体渗透率增加，最终确定在氢气310℃下进行8 h的处理后，其H2/CO2分离选择性最高（MH-310-8）。

图1 不同（a）MH-300-8，（b）MH-310-8，（c）MH-310-12，以及（d）MH-325-12活化方法的沸石膜

对于H2/CO2的单气体渗透率以及理想选择性

图2a为MFI沸石膜应用于50/50 H2/CO2的混合气体系的分离性能，可观察到H2以及CO2渗透率随着温度升高而增加。图2b为沸石膜分离50/50 H2/CO2的长时间渗透性能，展示了该膜具有稳定的H2/CO2混合物分离性能。

 图2  (a) 沸石膜的温度依存性。（b）沸石膜分离50/50H2/CO2的长时间渗透性能

研究成果以“Organic template residues confined in silicalite-1 zeolite membranes for tuning pore structures and boosting H2/CO2 separation”为题发表在国际知名期刊《Separation and Purification Technology》。本文第一作者为华南理工大学化学与化工学院2020级博士生叶枫，通讯作者为樊栓狮教授、李刚教授。论文作者还包括化学与化工学院郎雪梅副研究员和王燕鸿副研究员。本研究项目得到了广东省基础与应用基础研究基金（2022A1515012066）的资助。