Science：助力碳中和！高选择性和高渗透性CO2薄膜取得突破！

一、【导读】

聚合物气体分离膜是一种替代化学吸收捕获CO₂的方法，它可以通过化学方法定制来实现不同水平的CO₂选择性和渗透性。由聚醚制成的交联弹性膜具有反向选择性，这意味着膜的选择性是基于溶解度而不是尺寸（即扩散）考虑，并且对CO₂表现出很强的化学亲和力。另外，玻璃状聚合物，如聚酰亚胺和聚砜，可用于分子大小的筛分，并可通过各种方式进行改性，以改变渗透分子迁移的自由体积路径。最近的研究表明，加湿的封闭离聚物在中等选择性的情况下促进了高的CO₂渗透性，而含有可移动的亲CO₂载体的膜在相对较低的渗透性下可以产生高的CO₂选择性。但是，用于气体分离，特别是CO₂分离的聚合物膜设计中的一个挑战是在渗透率或气体通过膜的速度与选择性之间进行权衡。

二、【成果掠影】

近日，挪威科技工业研究所（SINTEF）Marius Sandru（一作兼通讯）和美国北卡罗来纳州立大学Richard J. Spontak（通讯作者）联合介绍了一种混合集成膜策略，其中高渗透性薄膜通过化学功能化，带有一个不规则的亲二氧化碳接枝链表面层。高溶解度机制使目标气流中自然存在的水蒸气水化的表层CO₂浓度增加，随后CO₂通过高渗透（但低选择性）聚合物基质快速传输。分析方法证实了胺表面层的存在。以这种方式制备的集成多层膜不受扩散限制，并保留了其大部分高CO₂渗透性，在某些情况下，其CO₂选择性同时增加了约150倍。该论文以题为“An integrated materials approach to ultrapermeable and ultraselective CO₂ polymer membranes”发表在知名期刊Science上。

三、【数据概览】

图一、HI膜的示意图以及制备表征

图二、通过母体和胺改性聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚四氟乙烯（PTFE）AF膜进行分子运输

图三、母体和胺改性PDMS和PTFE AF膜的拓扑特征

图四、HI膜与其他用于CO₂捕获的聚合物膜的性能对比

四、【成果启示】

研究发现，即使通过厚度小于一微米的水合PVAm膜，CO₂的渗透性也受到阻碍。因此认为应保持便利运输提供的超高CO₂选择性，而应减少扩散限制对CO₂渗透性产生负面影响的程度。因此提出了制造具有这高渗透性和高选择性聚合物膜的途径。通过在支撑的高渗透聚合物薄膜上生长超薄含胺的表面层，会产生高溶性和快速扩散膜。这些混合集成（HI）膜利用通过表面聚合引入的可调谐表面功能化，使其表面被高度亲CO₂、亲水的纳米聚合物层覆盖，这在概念上类似于为液体分离而生产的表面改性聚合物膜。以这种方式制备的集成多层膜不受扩散限制，并保留了大部分高CO₂渗透率，在某些情况下，其CO₂渗透性和选择性同时增加了约150倍以上。

文献链接：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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