哈工大邵路團隊EES封面:二氧化碳捕集半互穿網絡超級分離膜

【引言】

目前化石燃料依然在全球能源領域占據主導地位，開發并采用先進的氣體分離技術大規模地捕集CO₂可以有效降低碳排放，促進清潔能源發展，達到可持續發展的目標。膜分離技術是目前唯一一種有望實現CO₂高效分離的新型低碳技術，具有能效高、易操作、成本低和環境友好等優勢。因此，開發具有高CO₂滲透通量和選擇性的分離膜材料對填補相關技術空白具有重要意義。

【成果簡介】

邵路課題組通過對傳統材料物理化學結構的合理設計，采用CO₂親和性的聚氧化乙烯（PEO）衍生材料，經過簡單的紫外輻照一步法，在自由基聚合形成交聯網絡的同時向體系中引入低分子量的聚氧化乙烯鏈段，制備出了一種新型CO₂親和性半互穿網絡（SIPN）分離膜。該半互穿網絡分離膜是由立體的聚氧化乙烯交聯網絡和低分子量高醚氧含量的聚氧化乙烯衍生分子鏈穿插構成。低分子量的聚氧化乙烯鏈段有效增加了分離膜的自由體積尺寸和CO₂親和性，促進了CO₂ 氣體分子在膜中的傳輸，在極大地提高了分離膜CO₂滲透通量的同時并保持著較高的選擇性。

【圖片導讀】

圖1. SIPN 膜的結構，氣體分離示意，FT-IR表征

（a）SIPN的合成路線及理想結構

（b）SIPN 膜分離CO₂/N₂, CO₂/H₂示意

（c）PEG單體和SIPN的紅外譜圖

圖2. SIPN膜XPS，¹³CNMR譜圖及free volume radii和fractional free volume表征

（a）SIPN XPS C1s 分峰譜圖

（b）SIPN free volume radii 隨PEGDME含量變化

（c）SIPN 13C NMR 表征

（d）SIPN fractional free volume 隨PEGDME含量變化

圖3. SIPN膜的氣體滲透通量和選擇性，溶解系數和擴散系數，長期穩定性測試

（a）SIPN膜的氣體通量和選擇性隨PEGDME含量的變化趨勢

（b）SIPN膜對CO2的溶解系數和擴散系數隨PEGDME含量的變化趨勢

（c）SIPN-7-3-10 CO₂通量和選擇性的長期穩定性

圖4. SIPN膜對CO₂/H₂ 和 CO₂/N₂氣體分離性能與2008 Robeson’s upper bond 對比

（a）SIPN CO₂/H₂ 分離性能與upper bond 對比

（b）SIPN CO₂/N₂ 分離性能與upper bond 對比

【總結】

本文提供了一種新型PEO的半互穿網絡分離膜設計方法，突破傳統膜材料滲透通量和選擇性之間相互制約的瓶頸，達到二氧化碳親和性分離膜目前國際最高水平。該半互穿網絡分離膜制備方法極其簡單且綠色環保，新型膜材料具有優異的穩定性，有望與目前的工業化生產過程匹配。該成果的研究思路為先進膜材料開發及其在環境能源等領域的應用建立了高效的設計路徑。

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

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

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

本文由哈爾濱工業大學姜旭博士撰文，材料人新能源組背逆時光整理編輯。

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