二維納米材料——類水滑石（LDHs）用于氣體和液體膜分離過程的最新研究進展

【引言】

最近，由于二維納米材料具有獨特的理化性質、微觀結構和孔徑篩分的特性，常用于設計高性能的分離膜，突破Robeson上限。其中，類水滑石（LDHs）作為一類二維納米材料，具有均勻的層間通道，允許在通道高度與客體分子的動力學直徑相當的條件下進行精確的篩分。因此，在膜分離方面展現出良好的應用前景，被認為是制備高性能分離膜的理想材料。

【成果簡介】

近日，寧波大學的李硯碩教授和大連理工大學的劉毅教授（共同通訊作者）等人首次總結了LDHs納米材料用于氣體和液體膜分離過程的最新研究進展，包括其制備、結構、性質及應用，并展望了LDHs在膜分離領域的發展前景。在J. Membr. Sci?上發表了“Recent advances in layered double hydroxides (LDHs) as two-dimensional membrane materials for gas and liquid separations”的綜述論文。作者闡述了LDHs納米材料的制備、剝離和修飾方法，并詳細的介紹了引入LDHs在氣體和液體分離膜中所起的作用。該論文的第一作者為寧波大學的逯鵬博士，北京林業大學的王強教授為合作作者。

【圖文導讀】

1.LDHs的結構和修飾

圖1. 多晶型堆積模式的LDH的結構

（a）六角形；（b）菱形；（c）剝離LDHs的一般過程

圖2. LDHs的修飾

(a) 未修飾的LDHs不能分散在二甲苯中，修飾后能夠在二甲苯中很好的分散；(b) 修飾后的LDHs在二甲苯中的紫外可見光譜；(c) 水洗和丙酮洗后LDHs的XRD圖

LDHs具有獨特的化學和物理性質：1）多種替代金屬陽離子，可以精確控制主體層的化學成分; 2）可替代的夾層陰離子有助于調節層間通道高度和功能; 3）獨特的“記憶效應”；這些特性使得LDHs納米材料適于用作高性能膜材料。

2.?LDHs用于氣體分離膜

圖3. LDHs作為選擇性分離層用于CH₄/H₂的分離

圖4. LDHs作為緩沖層用于氣體分離

圖5. LDHs作為緩沖層用于氣體分離

圖6. LDHs作為CO₂的高速運輸通道

LDHs作為選擇性分離層展現出精準的分子篩分性能；作為緩沖層所制備的復合膜的氣體選擇性均高于單一的LDHs膜或ZIF膜；并且LDHs對CO₂具有良好的吸附選擇性，可作為高速CO₂促進傳質通道。

3.LDHs用于液體分離膜

圖7. LDHs作為納米填料用于超濾過程

圖8. LDHs作為納米填料用于納濾過程

圖9. LDHs作為納米填料用于正滲透過程

圖10. LDHs作為吸附劑用于膜吸附過程

圖11. LDHs作為疏水層用于油水分離過程

圖12. LDHs作為離子傳導載體用于甲醇燃料電池

LDHs作為納米填料能夠促進聚合物膜的選擇分離性能、親水性、機械強度、抗污染、抗氯和熱穩定性；作為吸附劑展現出杰出的吸附性能（例如：重金屬、砷酸鹽、磷酸鹽、鉻酸鹽等）；并具有特殊的微觀結構可用于油水分離；以及良好的離子傳導能力可用于甲醇燃料電池隔膜。

【小結】

綜上所述，LDHs納米材料依靠均勻的層間通道，具有明顯的分子篩分效果，可用于制備高性能氣體分離膜；碳酸根插層的LDHs可作為CO₂的高速傳輸通道。另外，LDHs可以作為有效的緩沖層，保證形成無缺陷、高性能的ZIF@LDHs復合膜。進一步將LDHs摻入聚合物膜基質中，顯著改善聚合物膜的分離性能和親水性，并且具有較好的機械強度，熱穩定性，導電性，耐氯和抗污染能力。考慮到LDHs可以進一步剝離成單層納米片或化學改性以改善與聚合物膜的親和力和相互作用，為設計下一代高性能分離膜提供了新的途徑。

文獻鏈接：Recent advances in layered double hydroxides (LDHs) as two-dimensional membrane materials for gas and liquid separations (J. Membr. Sci., DOI: 10.1016/j.memsci.2018.09.041)

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