DOCX《2019年度国家自然科学奖提名公示材料》

2019年度国家自然科学奖提名公示材料 项目名称 有机-无机复合膜的亚纳米通道构筑及其小分子的高性能分离 提名单位 教育部 提名意见 (不超过600字) 小分子分离膜是膜分离技术中最富挑战的难题.

该项目从构筑小于1纳米的传质通道出发,提出并制备出新型有机-无机复合膜,实现了水、挥发性有机物、气体等三种不同介质中若干小分子的高效分离:1)在二维材料层间构筑分子传质通道,将传统膜溶剂脱水的通量提高1个数量级、CO2渗透性和CO2/N2选择性同步提升1倍;

2)提出反应晶种法合成无缺陷金属-有机框架膜,并实现甲基苯基亚砜等手性分子的拆分 ;

3)设计有机-陶瓷复合膜突破挥发性有机物分离膜通量低、稳定性差的瓶颈,在国际上首次实现规模化制备并在丙酮、正己烷等回收体系得到工业应用.项目共计发表SCI论文46篇,8篇代表作发表在Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Commun.等期刊上,被包括A. Geim(2010年诺奖)、F. Stoddart(2016年诺奖)等专家和Science、Nat. Mater.等期刊他引785次;

出版有机-无机复合膜英文专著1部;

获授权发明专利20项 ;

研究成果为小分子分离膜的设计制备提供了理论与技术基础.项目第一完成人是我国膜领域的

973 首席科学家;

第一位担任膜领域权威期刊《Journal of Membrane Science》编辑的中国学者;

第十届国际膜领域最具影响力会议ICOM的会议主席(30年来我国首次举办);

获2018年侯德榜化工科技创新奖 .项目成果获2018年教育部自然科学一等奖. 对照国家自然科学奖授奖条件,我部决定提名该项目为2019年度自然科学奖二等奖. 项目简介 膜分离是化学工程、材料科学、化学等学科的交叉热点和研究前沿,也是节能降耗的重要战略技术.现有的有机膜和无机膜对于尺寸小于1 nm的小分子混合物分离,分别面临分离性能低和制备难度大的重要挑战.为此,该项目提出了膜的新类型――有机-无机复合膜,精密构筑了亚纳米尺寸传质通道,实现了水、挥发性有机物、气体等小分子的高性能分离,发展了膜技术在能源和环境中应用的新过程.主要科学发现包括:

1、构建了二维材料层间精密构筑分子传质通道的新方法,首次制备了中空纤维陶瓷支撑氧化石墨烯膜和氧化石墨烯混合基质气体分离膜,分别将传统膜的溶剂脱水通量提高1个数量级、CO2渗透性和CO2/N2选择性同步提升100%.研究工作得到2010年诺贝尔物理奖得主A. Geim在Nat. Mater.(2017年)中作为开创性工作引用,被Science(2017年)认为是突破膜渗透性与选择性相互制约瓶颈的重要途径.

2、提出了反应晶种法合成金属-有机框架膜的新策略,解决了膜层无缺陷可控制备的关键难题,设计制备了具有亚纳米尺寸孔道的一系列MOF膜,并首次实现MOF膜用于甲基苯基亚砜等手性分子拆分.研究工作得到国际同行的普遍认可,被29个国家和地区的156个研究团队引用和跟踪研究,制备的有机-无机复合膜被Science(2017年)引用以验证其研究结果,多次被2016年诺贝尔化学奖得主F. Stoddart在JACS中作为手性MOF领域的代表性成果加以引用.

3、设计了陶瓷支撑有机复合膜的新结构,利用刚性陶瓷支撑体构筑有机-无机受限溶胀界面策略,显著提升了传统挥发性有机物分离膜的结构稳定性,并进一步精密构筑了界面处的限域传质空间,将膜通量提高了1个数量级,揭示了膜的结构控制和分子传质机理,在国际上首次实现了有机-陶瓷复合膜的规模化制备,并在丙酮、正己烷等回收体系得到工业应用. 该项目在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Commun.、J. Membr. Sci.等期刊上发表SCI论文46篇;