哈工大邵路团队EES封面:二氧化碳捕集半互穿网络超级分离膜

【引言】

目前化石燃料依然在全球能源领域占据主导地位，开发并采用先进的气体分离技术大规模地捕集CO₂可以有效降低碳排放，促进清洁能源发展，达到可持续发展的目标。膜分离技术是目前唯一一种有望实现CO₂高效分离的新型低碳技术，具有能效高、易操作、成本低和环境友好等优势。因此，开发具有高CO₂渗透通量和选择性的分离膜材料对填补相关技术空白具有重要意义。

【成果简介】

邵路课题组通过对传统材料物理化学结构的合理设计，采用CO₂亲和性的聚氧化乙烯（PEO）衍生材料，经过简单的紫外辐照一步法，在自由基聚合形成交联网络的同时向体系中引入低分子量的聚氧化乙烯链段，制备出了一种新型CO₂亲和性半互穿网络（SIPN）分离膜。该半互穿网络分离膜是由立体的聚氧化乙烯交联网络和低分子量高醚氧含量的聚氧化乙烯衍生分子链穿插构成。低分子量的聚氧化乙烯链段有效增加了分离膜的自由体积尺寸和CO₂亲和性，促进了CO₂ 气体分子在膜中的传输，在极大地提高了分离膜CO₂渗透通量的同时并保持着较高的选择性。

【图片导读】

图1. SIPN 膜的结构，气体分离示意，FT-IR表征

（a）SIPN的合成路线及理想结构

（b）SIPN 膜分离CO₂/N₂, CO₂/H₂示意

（c）PEG单体和SIPN的红外谱图

图2. SIPN膜XPS，¹³CNMR谱图及free volume radii和fractional free volume表征

（a）SIPN XPS C1s 分峰谱图

（b）SIPN free volume radii 随PEGDME含量变化

（c）SIPN 13C NMR 表征

（d）SIPN fractional free volume 随PEGDME含量变化

图3. SIPN膜的气体渗透通量和选择性，溶解系数和扩散系数，长期稳定性测试

（a）SIPN膜的气体通量和选择性随PEGDME含量的变化趋势

（b）SIPN膜对CO2的溶解系数和扩散系数随PEGDME含量的变化趋势

（c）SIPN-7-3-10 CO₂通量和选择性的长期稳定性

图4. SIPN膜对CO₂/H₂ 和 CO₂/N₂气体分离性能与2008 Robeson’s upper bond 对比

（a）SIPN CO₂/H₂ 分离性能与upper bond 对比

（b）SIPN CO₂/N₂ 分离性能与upper bond 对比

【总结】

本文提供了一种新型PEO的半互穿网络分离膜设计方法，突破传统膜材料渗透通量和选择性之间相互制约的瓶颈，达到二氧化碳亲和性分离膜目前国际最高水平。该半互穿网络分离膜制备方法极其简单且绿色环保，新型膜材料具有优异的稳定性，有望与目前的工业化生产过程匹配。该成果的研究思路为先进膜材料开发及其在环境能源等领域的应用建立了高效的设计路径。

文章链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/ee/c6ee03566c#!divAbstract（DOI：10.1039/C6EE03566C（ Energy Environ. Sci., 2017,DOI: 10.1039/C6EE03566C）

邵路教授主页：http://www.polymer.cn/ss/shaolu/index.html；

http://homepage.hit.edu.cn/pages/shaolu

本文由哈尔滨工业大学姜旭博士撰文，材料人新能源组背逆时光整理编辑。

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