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郑州大学王景&河南大学田志红GEE｜高效气体分离的“膜法”面纱：新型混合基质膜

已有 875 次阅读 2024-6-5 11:57 |系统分类:论文交流

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研究背景

在全球气候变化和能源危机的大背景下，如何高效地分离和利用气体资源，特别是如何从烟气（CO₂/N₂）和沼气（CO₂/CH₄）中高效去除CO₂，已经成为了科学家们研究的热点。将功能性纳米材料引入聚合物基质制备的混合基质膜（MMMs）不仅能实现渗透性与选择性的同时提升，还可以借助聚合物膜成熟的生产工艺实现规模化制备，已成为气体分离领域最具竞争力的膜材料之一。

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图1. C@ZnO/PIM-1 MMM气体分离示意图。

该工作融合了固有微孔聚合物（PIMs）和多孔碳基氧化锌复合材料（C@ZnO）的独特性质。通过精确控制材料的微观结构，创造出了具有超高CO₂渗透性和选择性的混合基质膜材料。这意味着，它不仅能够快速地“识别”并捕获CO₂分子，还能有效地将其与其他气体（如N₂、CH₄）分离，从而实现高效的气体捕集和纯化。更重要的是，与传统的气体分离技术相比，这种新型膜材料在操作简便性、能耗降低以及分离效率上都有着显著的优势。

图文解读

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图2. 多孔碳基氧化锌复合材料（C@ZnO）的微观结构图。

通过无模板法合成了高度稳定的3D分级立方碳多孔晶体材料，并进一步通过热处理转化为具有有序孔隙率的碳复合材料（C@ZnO）。该材料富含ZnO做为CO₂活性位点可以有效捕获CO₂，同时丰富的孔隙率可以提供大量气体传输通道。

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图3. C@ZnO对于气体吸附能的理论计算。

通过VASP进行密度泛函理论计算，验证了C@ZnO材料对于CO₂的高亲和性，使得该材料能够快速识别并捕获CO₂，同时能够有效将其与其他气体分离。

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图4. 不同填料负载量的PIM-1/C@ZnO900 MMMs的微观结构图。

将制备的C@ZnO复合材料以不同比例嵌入PIMs中制备混合基质膜（MMMs）。在合适的填料负载量下，C@ZnO可以均匀的分散在聚合物基质中，而不发生颗粒聚集或造成明显缺陷。此外，PIM-1/C@ZnO膜可以任意角度弯曲而不会损坏膜，表明了PIM-1/C@ZnO900膜具有良好的机械性能和柔韧性。

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图5. PIM-1/C@ZnO900 MMMs的气体分离性能。

基于氧化锌多孔碳材料丰富的孔隙率以及对于CO₂的亲和力，使得PIM-1/C@ZnO混合基质膜对于CO₂/N₂和CO₂/CH₄均表现出优异的渗透选择性，CO₂渗透系数高达13215 barrer，而CO₂/N₂和CO₂/CH₄的选择性分别达到了21.5和14.4，远超文献中报道的Robeson上限。此外，该混合基质膜表现出压力耐受性和抗老化能力及良好的长期稳定性，可满足实际工业的分离需求。

总结与展望

总之，本研究揭示了将C@ZnO与PIM-1结合起来的潜在能力，提出了一种有望创造出高水准MMMs的策略。C@ZnO和PIM-1的出色结合有效地打破了渗透性-选择性权衡的传统限制，预示着一项关键性的进步。这里展示的 C@ZnO/PIM-1 组合可能不是最终的解决方案，但这种策略可以作为制备优秀气体分离膜的重要工具进行优化。

原文信息

本文以“Merging polymers of intrinsic microporosity and porous carbon-based zinc oxide composites in novel mixed matrix membranes for efficient gas separation”为题在Green Energy & Environment期刊在线发表，通讯作者为河南大学田志红教授和郑州大学王景副教授。