突破Trade-off效應(yīng)的聚電解質(zhì)-無機(jī)雜化膜及其CO2分離性能強(qiáng)化.pdf

1、開發(fā)高效率、低成本的CO2分離膜材料是目前膜法碳捕集的共性關(guān)鍵問題。隨著高分子聚合物氣體分離膜研究的發(fā)展，滲透性和選擇性之間此升彼降的矛盾關(guān)系（trade-off效應(yīng)）成為制約膜性能提升的瓶頸，因此新型膜材料的開發(fā)勢(shì)在必行。本文開發(fā)了磺化聚醚醚酮（SPEEK）聚電解質(zhì)膜，用于CO2高效分離。然而，該高分子膜受到trade-off效應(yīng)制約。本論文針對(duì)如何同時(shí)提高SPEEK聚電解質(zhì)氣體分離膜滲透性和選擇性問題，采用簡便、溫和的方法制備了一系

2、列雜化膜，通過調(diào)控雜化膜的微觀物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)，闡明了雜化膜界面相容性、自由體積特性、結(jié)晶度和鏈剛性對(duì)氣體分離性能的影響，為解決trade-off效應(yīng)提供方法，主要研究工作包括：
　　自由體積調(diào)控強(qiáng)化滲透性：基于界面形態(tài)理論，引入金屬有機(jī)骨架（MOFs）、鈦納米管和石墨烯等新型填充劑調(diào)控雜化膜的自由體積分?jǐn)?shù)或結(jié)晶度，強(qiáng)化擴(kuò)散機(jī)制。通過調(diào)節(jié)填充劑的類型及含量，實(shí)現(xiàn)了自由體積分?jǐn)?shù)、鏈剛性和鏈間距的精確調(diào)控，強(qiáng)化了擴(kuò)散機(jī)制。雜化膜的自由體

3、積分?jǐn)?shù)、空穴的大小與氣體滲透性正相關(guān)。當(dāng)氨基修飾鈦納米管的填充量為8％時(shí)，CO2滲透系數(shù)達(dá)2090 Barrer， CO2/CH4(N2)選擇性達(dá)57(62)，突破了trade-off效應(yīng)。
　　酸性位點(diǎn)調(diào)控強(qiáng)化選擇性：基于界面形態(tài)理論和CO2特異性親和作用，引入新型填充劑高孔隙的磺化MOFs，實(shí)現(xiàn)溶解-擴(kuò)散機(jī)制協(xié)同強(qiáng)化。高填充量40 wt%的磺化MOFs與高分子之間具有良好的界面相容性。高孔隙率磺化MOFs的引入，顯著提高了氣體

4、擴(kuò)散系數(shù)CO2/CH4(N2)和溶解選擇性。當(dāng)磺化MOFs的填充量為40%時(shí)，CO2滲透系數(shù)達(dá)2064 Barrer，CO2/CH4(N2)選擇性達(dá)50(53)，突破了trade-off效應(yīng)。
　　堿性位點(diǎn)調(diào)控強(qiáng)化選擇性：基于界面形態(tài)理論和酸堿反應(yīng)，引入新型填充劑高孔隙率的MOFs，強(qiáng)化擴(kuò)散機(jī)制，并將反應(yīng)機(jī)制引入膜內(nèi)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)-擴(kuò)散機(jī)制協(xié)同強(qiáng)化。濕態(tài)下，富含氨基的MOFs產(chǎn)生的HCO3-促進(jìn)膜內(nèi)CO2的快速傳遞，滲透性和CO2/C

5、H4(N2)選擇性較干態(tài)顯著提高。將富含氨基負(fù)載的MOFs引入膜內(nèi)，當(dāng)氨基負(fù)載 MOFs的填充量為40%時(shí)， CO2滲透系數(shù)達(dá)2490 Barrer， CO2/CH4(N2)選擇性達(dá)72(80)，實(shí)現(xiàn)了滲透性和選擇性的同時(shí)提高，突破了trade-off效應(yīng)。
　　酸堿對(duì)調(diào)控強(qiáng)化選擇性：基于界面形態(tài)理論、CO2特異性親和作用和酸堿反應(yīng)，引入新型片層填充劑氧化石墨烯，強(qiáng)化擴(kuò)散機(jī)制，將富含酸堿對(duì)的氨基酸引入膜內(nèi)，強(qiáng)化溶解-反應(yīng)機(jī)制，以實(shí)