Science：助力碳中和！高選擇性和高滲透性CO2薄膜取得突破！

一、【導讀】

聚合物氣體分離膜是一種替代化學吸收捕獲CO₂的方法，它可以通過化學方法定制來實現不同水平的CO₂選擇性和滲透性。由聚醚制成的交聯彈性膜具有反向選擇性，這意味著膜的選擇性是基于溶解度而不是尺寸（即擴散）考慮，并且對CO₂表現出很強的化學親和力。另外，玻璃狀聚合物，如聚酰亞胺和聚砜，可用于分子大小的篩分，并可通過各種方式進行改性，以改變滲透分子遷移的自由體積路徑。最近的研究表明，加濕的封閉離聚物在中等選擇性的情況下促進了高的CO₂滲透性，而含有可移動的親CO₂載體的膜在相對較低的滲透性下可以產生高的CO₂選擇性。但是，用于氣體分離，特別是CO₂分離的聚合物膜設計中的一個挑戰是在滲透率或氣體通過膜的速度與選擇性之間進行權衡。

二、【成果掠影】

近日，挪威科技工業研究所（SINTEF）Marius Sandru（一作兼通訊）和美國北卡羅來納州立大學Richard J. Spontak（通訊作者）聯合介紹了一種混合集成膜策略，其中高滲透性薄膜通過化學功能化，帶有一個不規則的親二氧化碳接枝鏈表面層。高溶解度機制使目標氣流中自然存在的水蒸氣水化的表層CO₂濃度增加，隨后CO₂通過高滲透（但低選擇性）聚合物基質快速傳輸。分析方法證實了胺表面層的存在。以這種方式制備的集成多層膜不受擴散限制，并保留了其大部分高CO₂滲透性，在某些情況下，其CO₂選擇性同時增加了約150倍。該論文以題為“An integrated materials approach to ultrapermeable and ultraselective CO₂ polymer membranes”發表在知名期刊Science上。

三、【數據概覽】

圖一、HI膜的示意圖以及制備表征

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圖二、通過母體和胺改性聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚四氟乙烯（PTFE）AF膜進行分子運輸

圖三、母體和胺改性PDMS和PTFE AF膜的拓撲特征

圖四、HI膜與其他用于CO₂捕獲的聚合物膜的性能對比

四、【成果啟示】

研究發現，即使通過厚度小于一微米的水合PVAm膜，CO₂的滲透性也受到阻礙。因此認為應保持便利運輸提供的超高CO₂選擇性，而應減少擴散限制對CO₂滲透性產生負面影響的程度。因此提出了制造具有這高滲透性和高選擇性聚合物膜的途徑。通過在支撐的高滲透聚合物薄膜上生長超薄含胺的表面層，會產生高溶性和快速擴散膜。這些混合集成（HI）膜利用通過表面聚合引入的可調諧表面功能化，使其表面被高度親CO₂、親水的納米聚合物層覆蓋，這在概念上類似于為液體分離而生產的表面改性聚合物膜。以這種方式制備的集成多層膜不受擴散限制，并保留了大部分高CO₂滲透率，在某些情況下，其CO₂滲透性和選擇性同時增加了約150倍以上。

文獻鏈接：An integrated materials approach to ultrapermeable and ultraselective CO₂ polymer membranes (Science 2022, 376, 90-94)

本文由大兵哥供稿。

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