北京化工大学韩景宾等人NC：利用LDHs基二维膜材料实现CO2高效分离- 大数跨境

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北京化工大学韩景宾等人NC：利用LDHs基二维膜材料实现CO2高效分离

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2021-06-10

导读：本文提出在多孔透气基底上构筑LDHs基气体选择性阻隔层，通过优化选择性层的结构及理化性质，控制气体选择性阻隔和渗透性之间的平衡，以优化膜的性能，实现了CO2气体的高效分离

研究背景

膜分离技术在天然气/合成气净化、烟道气中裂解气回收及温室气体减排等CO2分离领域具有重要的应用前景，高性能CO2分离膜材料的设计与构筑是实现膜分离技术大规模应用的关键。

传统聚合物膜材料普遍存在渗透性和选择性此消彼长（Trade-off效应）的限制，利用二维材料在其面内进行孔结构设计或层间构筑（亚）纳米通道成为了一个有潜力的突破点。但是，二维材料由于其层间距和孔径难以精确调控，造价高昂、制备可重复性差等问题使其大规模应用受到限制。因此，亟需制备一种兼具CO2高渗透性和选择性的二维膜材料。

层状双金属氢氧化物（Layered double hydroxides, LDH）是一类重要的阴离子型二维层状材料，采用液相剥层或化学合成手段均可以成功制备得到单层 LDH纳米片，具有表面带正电荷、理化性质丰富、尺寸可控、机械强度高等特点，近年来该类材料在二维膜领域的研究引起了国内外学者的广泛关注。

文章简介

在前期工作中，北京化工大学化学学院卫敏教授和韩景宾教授课题组发现了LDHs具有优异的气体阻隔性能（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），实现了对O2、N2、H2O、He、H2、CH4等气体分子的高效阻隔。在对比多种气体分子的渗透速率后，发现LDHs二维材料对不同气体分子的阻隔作用大小存在显著差异，部分气体分子（如CO2）受到的阻隔作用较弱。

在此基础上，该课题组和牛津大学化学系Dermot O’Hare教授开展合作研究，提出在多孔透气基底上构筑LDHs基气体选择性阻隔层，通过优化选择性层的结构及理化性质，控制气体选择性阻隔和渗透性之间的平衡，以优化膜的性能，实现了CO2气体的高效分离。

究人员利用剥层后的MgAl-LDH单层纳米片和甲脒亚磺酸(FAS)通过层层自组装后旋涂一薄层聚二甲基硅氧烷(PDMS)，在多孔聚四氟乙烯基底成功制备得到(LDH/FAS)n-PDMS二维杂化膜材料（图1）。获得的薄膜材料表现出优异的CO2分离性能，渗透性和选择性突破了Robeson上限（图2、图3）。

图1. (LDH/FAS)n-PDMS膜的制备过程

图2. (LDH/FAS)n-PDMS膜的纯气体渗透和选择性能

图3. (LDH/FAS)n-PDMS膜的混合气体分离性能

LDHs二维材料对不同气体分子的阻隔作用大小存在显著差异，部分气体分子（如CO2）受到的阻隔作用较弱。在此基础上，作者提出在多孔支撑基底上构筑LDHs基气体选择性阻隔层，通过优化选择性层的结构及理化性质，控制气体选择性阻隔和渗透性之间的平衡来优化膜的性能，实现了CO2气体的高效分离。

通过控制隔气和透气的平衡来优化膜的性能，结果表明，(LDH/FAS)25-PDMS薄膜的7748 GPU的CO2传输速速率和CO2选择性因子(SF)：SF(CO2/H2)、SF(CO2/N2)和SF(CO2/CH4)分别高达43，86和62，超过了Robeson’s upper bound (2008) 或Freeman upper bound。LDH和FAS之间的亚纳米通道可产生气体选择性筛分通道；而LDH纳米片中的羟基增加了对CO2的吸附亲和力，从而提高了其溶解性。

图4. CO2选择性传输机理研究

作者认为，LDH/FAS超晶格有序结构为CO2的透过提供了与其分子尺寸相匹配的传输通道。LDH的表面碱性及FAS的脒基官能团作为CO2的传输载体，显著提高了CO2的渗透性。因此，位于LDH纳米片之间的FAS中的脒基能够可逆地选择性结合CO2，从而促进CO2的选择性转运（图4）。

此外，(LDH/FAS)n-PDMS膜具有良好的机械性能，在长期运行测试中保持了良好的分离性能。考虑到构筑单元都是廉价的工业原材料，而且膜很容易在各种基底上制备，因此该薄膜的大规模的制备成为可能，在捕获和分离二氧化碳方面具有一定的应用潜力。

这一研究成果近期发表在国际知名期刊Nat. Commun. 2021, 12, 3069上，文章的第一作者是北京化工大学博士研究生许晓芝，通讯作者为北京化工大学化学学院韩景宾教授和英国牛津大学化学系Dermot O’Hare教授。

论文链接：

ttps://www.nature.com/articles/s41467-021-23121-z

通讯作者介绍

韩景宾北京化工大学化学学院，教授，博士生导师。

2001至2005年于沈阳化工学院获得工学学士学位。2006年至2011年于北京化工大学获工学博士学位，导师为段雪院士及卫敏教授。2011年毕业后于北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室从事层状功能材料研宄，主要研究方向：LDHs二维材料的结构调控、性能强化及工程化研究。以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater. 等刊物发表论文50余篇。以第一发明人申请国家发明专利23件（获授权15件）。获得2016年“北京市科技新星”计划、2016年中国科协“青年人才托举工程”资助、2018年“侯德榜化工科学技术青年奖”。