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对于广泛的行业来说，气体分离是过程和产品的重要组成部分-从用于医疗目的的空气中分离氮气和氧气到在碳捕获过程中从其他气体中分离二氧化碳或从天然气中去除杂质。

然而，分离气体既耗能又昂贵。

“例如，在分离氧气和氮气时，你需要将空气冷却到非常低的温度，直到它们液化。然后，通过缓慢提高温度，气体将在不同的点蒸发，使其中一种再次变成气体并分离出来，”科罗拉多大学博尔德分校化学教授兼化学系主任张伟解释说。“这是非常能源密集和昂贵的。”

许多气体分离依赖于气体通过并分离的多孔材料。这也是一个长期存在的问题，因为这些多孔材料通常是特定于被分离的气体类型的。试着用其他类型的气体穿过它们，它们都不起作用。

然而，在今天发表在《科学》杂志上的一项研究中，张和他的合作研究人员详细介绍了一种新型多孔材料，这种材料可以容纳和分离许多不同的气体，而且是由常见的、现成的材料制成的。此外，它结合了刚性和灵活性，使基于尺寸的气体分离能够在大大降低能源成本的情况下发生。

“我们正在努力使技术变得更好，”张说，“并以一种可扩展和可持续的方式改进它。”

增加了灵活性

长期以来，用于气体分离的多孔材料是刚性的，并且根据所分离的气体类型具有亲和性。刚性使得孔隙能够被明确定义，并有助于指导气体的分离，但也限制了气体的数量，因为不同的分子大小可以通过。

几年来，张和他的研究小组一直致力于开发一种多孔材料，这种材料在刚性多孔材料的连接节点上引入了柔韧性元素。这种灵活性使得分子连接体可以振荡，或者以一定的速度来回移动，从而改变材料中可进入的孔隙大小，使其适应多种气体。

张说:“我们发现，在室温下，孔隙相对最大，柔性接头几乎不动，所以大多数气体可以进入。”“当我们将温度从室温提高到约50摄氏度时，连接器的振荡变得更大，导致有效孔径缩小，因此更大的气体无法进入。如果我们继续提高温度，更多的气体由于振荡的增加和孔隙尺寸的进一步缩小而被拒之门外。最后，在100度的温度下，只有最小的气体，氢气，才能通过。”

张和他的同事们开发的材料是由小有机分子组成的，与沸石最相似，沸石是一种多孔的晶体材料，主要由硅、铝和氧组成。

“这是一种多孔材料，有很多高度有序的孔隙，”他说。“你可以把它想象成一个蜂巢。它的大部分是固体有机材料，这些有规则大小的孔隙排列并形成通道。”

研究人员使用了一种相当新型的动态共价化学，专注于硼氧键。利用硼原子周围有四个氧原子，他们利用硼和氧之间键的可逆性，这种键可以一次又一次地断裂和重组，从而实现自我纠正、防错行为，并导致结构有序框架的形成。

张说:“我们想要构建一些具有可调性、响应性和适应性的东西，我们认为硼氧键可能是一个很好的组成部分，可以整合到我们正在开发的框架中，因为它具有可逆性和灵活性。”

可持续的解决方案

开发这种新型多孔材料确实需要时间。

张说:“制作这种材料很简单。困难是在一开始，当我们第一次获得这种材料，需要理解或阐明它的结构——键是如何形成的，这种材料内部的角度是如何形成的，它是二维的还是三维的。我们遇到了一些挑战，因为数据看起来很有希望，我们只是不知道如何解释它。它显示出某些峰(x射线衍射)，但我们不能立即弄清楚这些峰对应的是哪种结构。”

因此，他和他的研究同事退了一步，这可能是科学过程中一个重要但很少讨论的部分。他们专注于小分子模型系统，其中包含与他们材料中相同的反应位点，以了解分子构建块是如何在固态中包装的，这有助于解释数据。

张补充说，他和他的合作研究人员在开发这种材料时考虑了可扩展性，因为它的潜在工业用途需要大量的材料，“我们相信这种方法具有高度的可扩展性。这种构建模块可以在市场上买到，而且价格不贵，所以当时机成熟时，它可以被工业采用。”

他们已经为这种材料申请了专利，并正在继续研究其他建筑材料，以了解这种方法的基板范围。Zhang还表示，他看到了与工程研究人员合作将这种材料整合到基于膜的应用中的潜力。

“膜分离通常需要更少的能量，所以从长远来看，它们可能是更可持续的解决方案，”张说。“我们的目标是改进技术，以可持续的方式满足行业需求。”