【研究背景】
膜分離科技在瓦斯/合成氣淨化、烟道氣中裂解氣回收及溫室氣體减排等CO2分離領域具有重要的應用前景,高性能CO2分離膜資料的設計與構築是實現膜分離科技大規模應用的關鍵。
傳統聚合物膜資料普遍存在滲透性和選擇性此消彼長(Trade-off效應)的限制,利用二維資料在其面內進行孔結構設計或層間構築(亞)納米通道成為了一個有潜力的突破點。但是,二維資料由於其層間距和孔徑難以精確調控,造價高昂、製備可重複性差等問題使其大規模應用受到限制。囙此,亟需製備一種兼具CO2高滲透性和選擇性的二維膜資料。
層狀雙金屬氫氧化物(Layered double hydroxides,LDH)是一類重要的陰離子型二維層狀資料,採用液相剝層或化學合成手段均可以成功製備得到單層LDH納米片,具有表面帶正電荷、理化性質豐富、尺寸可控、機械強度高等特點,近年來該類資料在二維膜領域的研究引起了國內外學者的廣泛關注。
【文章簡介】
在前期工作中,北京化工大學化學學院衛敏教授和韓景賓教授課題組發現了LDHs具有優异的氣體阻隔效能(Angew. Chem. Int. Ed. 2015. 54,9673、Adv. Funct. Mater. 2014,24,514、Chem. Commun. 2018,54,7778、ACS Appl. Mater. Interface. 2018,10,28130等),實現了對O2、N2、H2O、He、H2、CH4等氣體分子的高效阻隔。在對比多種氣體分子的滲透速率後,發現LDHs二維資料對不同氣體分子的阻隔作用大小存在顯著差异,部分氣體分子(如CO2)受到的阻隔作用較弱。
在此基礎上,該課題組和牛津大學化學系Dermot O’Hare教授開展合作研究,提出在多孔透氣基底上構築LDHs基氣體選擇性阻隔層,通過優化選擇性層的結構及理化性質,控制氣體選擇性阻隔和滲透性之間的平衡,以優化膜的效能,實現了CO2氣體的高效分離。
研究人員利用剝層後的MgAl-LDH單層納米片和甲脒亞磺酸(FAS)通過層層自組裝後旋塗一薄層聚二甲基矽氧烷(PDMS),在多孔聚四氟乙烯基底成功製備得到(LDH/FAS)n-PDMS二維雜化膜資料(圖1)。獲得的薄膜資料表現出優异的CO2分離效能,滲透性和選擇性突破了Robeson上限(圖2、圖3)。
圖1.(LDH/FAS)n-PDMS膜的製備過程
圖2.(LDH/FAS)n-PDMS膜的純氣體滲透和選擇效能
圖3.(LDH/FAS)n-PDMS膜的混合氣體分離效能
LDHs二維資料對不同氣體分子的阻隔作用大小存在顯著差异,部分氣體分子(如CO2)受到的阻隔作用較弱。在此基礎上,作者提出在多孔支撐基底上構築LDHs基氣體選擇性阻隔層,通過優化選擇性層的結構及理化性質,控制氣體選擇性阻隔和滲透性之間的平衡來優化膜的效能,實現了CO2氣體的高效分離。
通過控制隔氣和透氣的平衡來優化膜的效能,結果表明,(LDH/FAS)25-PDMS薄膜的7748 GPU的CO2傳輸速速率和CO2選擇性因數(SF):SF(CO2/H2)、SF(CO2/N2)和SF(CO2/CH4)分別高達43,86和62,超過了Robeson’s upper bound(2008)或Freeman upper bound。LDH和FAS之間的亞納米通道可產生氣體選擇性篩分通道;而LDH納米片中的羥基新增了對CO2的吸附親和力,從而提高了其溶解性。
圖4.CO2選擇性傳輸機理研究
作者認為,LDH/FAS超晶格有序結構為CO2的透過提供了與其分子尺寸相匹配的傳輸通道。LDH的表面鹼性及FAS的脒基官能團作為CO2的傳輸載體,顯著提高了CO2的滲透性。囙此,位於LDH納米片之間的FAS中的脒基能够可逆地選擇性結合CO2,從而促進CO2的選擇性轉運(圖4)。
此外,(LDH/FAS)n-PDMS膜具有良好的機械效能,在長期運行測試中保持了良好的分離效能。考慮到構築單元都是廉價的工業原材料,而且膜很容易在各種基底上製備,囙此該薄膜的大規模的製備成為可能,在捕獲和分離二氧化碳方面具有一定的應用潜力。
這一研究成果近期發表在國際知名期刊Nat.Commun.2021,12,3069上,文章的第一作者是北京化工大學博士研究生許曉芝,通訊作者為北京化工大學化學學院韓景賓教授和英國牛津大學化學系Dermot O’Hare教授。
論文連結:
https://www.nature.com/articles/s41467-021-23121-z
原文刊載於【材料科學站】公眾號
本文版權歸原作者所有,文章內容不代表平臺觀點或立場。如有關於文章內容、版權或其他問題請與我方聯系,我方將在核實情况後對相關內容做删除或保留處理!