Small Methods:用于CO2分离的混合基质膜中不同维纳米材料构建的气体传输通道研究进展

近年来,随着大气中CO2浓度的增加,由此产生的“温室效应”导致全球变暖、极端气候频发、生态环境恶化,严重威胁地球生命的生存。CO2的高效分离是实现CO2减排和能源气体纯化的关键。膜技术凭借其能耗低、操作弹性大等优势成为最具工业应用前景的CO2分离技术之一。但是,现有商品聚合物膜的CO2分离性能不够高,而且普遍受到渗透性和选择性间trade-off的限制。

混合基质膜是指将纳米填料作为分散相添加到聚合物连续相中形成的膜,它联合了聚合物与纳米填料各自的优点,又规避了二者单独成膜可能出现的问题,具有良好的机械性能、延展性能、易加工性和气体渗透性能。聚合物材料与纳米填料的多样性也使混合基质膜在材料选择方面具有很大的发展空间,尤其是不同维度的纳米填料的添加可在膜内构建出多种CO2传递通道,使膜性能有望突破Robeson上限,兼具高渗透性和高选择性,具有良好的工业应用前景。

近日,天津大学王志教授课题组应邀在Small Methods上发表了题为“Recent Advances of Gas Transport Channels Constructed with Different Dimensional Nanomaterials in Mixed-Matrix Membranes for CO2 Separation”的综述文章(DOI: 10.1002/smtd.201900749)。系统归纳了近年来1D、2D和3D纳米材料在混合基质膜中构建的CO2传递通道,详细讨论了各种CO2传递通道的特性及其对CO2分离性能的影响,并总结了设计构建CO2传输通道面临的机遇和挑战。该文章按不同维度纳米材料分别展开介绍,首先从不同维度纳米材料的特性出发,归纳了其构建的CO2传递通道在混合基质膜内的不同存在形式以及强化膜分离性能的机理。随后,作者分析了近几年有代表性的研究工作中CO2传递通道的构建方法、传递机理及对膜性能的影响,并总结了各种类型CO2传递通道的优势及面临的挑战。作者对在混合基质膜内构建高效CO2传递通道的关键因素进行了分析并提出了自己的见解。作者认为,一方面应针对分离体系调控并修饰纳米材料自身孔道以强化CO2传递通道的分离性能,另一方面需重视纳米材料与聚合物基质间的相互作用,利用界面间隙产生的气体传输通道进一步提高混合基质膜的CO2分离性能。此外,作者也分析了CO2传递通道的排布及取向对充分发挥孔道分离能力的重要意义。最后,作者对比了添加不同维纳米材料的混合基质膜的CO2分离性能,并展望了继续强化CO2分离混合基质膜内气体传递通道的研究方向,特别地提出需进一步探索成本低廉、制作简单的规模化制膜工艺,同时提高膜的耐杂质性能和长时间稳定性能,以满足实际应用的需求。

相关工作得到了国家重点研发计划(项目编号:2017YFB0603400),国家自然科学基金(项目编号:21436009)的资助。