新加坡国立大学张岁教授团队AM：突破燃烧后碳捕集CO₂渗透性与选择性权衡难题

高分子科学前沿9月13日讯：尽管绿色能源趋势增长，但由于全球人口不断增长，减少CO2的产生在未来几十年内仍不切实际，因此需要开发高效的碳捕集技术来减少二氧化碳排放。气体膜分离技术自上世纪80年代商业化以来，以高能效、小占地面积和工艺简单等优势得以快速发展，但目前的膜分离技术用于后燃烧碳捕集仍存在挑战。传统的聚合物膜存在渗透性和选择性之间的权衡限制，而其他新型材料在商业化应用方面又面临大规模生产的挑战。

针对上述难题，新加坡国立大学张岁教授高级分离膜团队通过仿生策略设计了包含聚乙二醇（PEG）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）的树状结构聚合物。其中树根状的PDMS刷子与PDMS中间层相结合，实现了超薄的选择性层，克服渗透性与选择性权衡限制，使之同时具备高渗透率和高选择性的CO2捕获能力，制备了达到商业化应用潜力的中空纤维膜。 

相关研究成果在《Advanced Materials》上发表题为“Breaking the permeance-selectivity tradeoff for post-combustion carbon capture: A bio-inspired strategy to form ultrathin hollow fiber membranes ”的文章。该论文第一作者为新加坡国立大学博士后Febrian Hillman，通讯作者为张岁助理教授。

该工作利用聚丙烯腈（PAN）为中空纤维支撑物，通过浸渍涂覆技术，将聚二甲基硅氧烷-聚乙二醇（PDMS-PEG）聚合物涂覆其表面，实现了气体分离性能的显著提升。其中PDMS-PEG聚合物的合成使用聚乙烯氧化物丙烯酸酯末端（PEGMEMA）和由二甲基硅氧烷和乙烯氧化物链构成的共聚物（PEODMS）作为单体，通过热诱导自由基聚合形成树状PDMS-PEG聚合物。其中PEODMS单体带有丙烯酸酯官能团，可以起到交联作用，形成PDMS-PEG网络。而PEGMEMA和未交联的PEODMS形成刷状结构。该合成方法在温和条件下仅需1小时即可完成，因此可以进行放大生产。其制备过程如图1所示。 

图1.热诱导自由基聚合形成树状 PDMS-PEG聚合物示意图

实验结果显示，所采用PAN中空纤维基底膜具有超高CO2渗透性（105000GPU）和基于Knudsen扩散的CO2/N2选择性（0.8）。作者通过在PAN支撑物外表面预先涂覆PDMS中间层，得到CO2渗透性4500 GPU和CO2/N2选择性10。作者还针对PDMS-PEG聚合物在不同浓度下的涂覆进行了优化，实现了对比不同聚合物浓度条件，中等涂覆浓度下PDMS0.5PEG0.5膜对CO2透过系数高达2667 GPU和CO2/N2选择性21(如图3 所示)，这一成果达到了商业化碳捕集的预期目标，具有重要的实用价值。该研究成果得益于无缺陷的PDMS-PEG树状结构，成功使得选择层厚度小于100纳米，部分甚至达到27纳米。其中，PDMS刷子起到了类似树根的作用，使选择层牢牢固定在PDMS中间层上，实现超薄无缺陷涂覆。

在高压测试中，PDMS-PEG膜表现出色，稳定性不受压力变化影响，保持在商业化可接受的CO2渗透率水平。此外，在湿气环境中，膜对CO2/N2选择性有所提高，这归功于水汽分子对CO2的促进作用。然而，升高温度会导致CO2的吸附性下降，从而降低CO2/N2选择性，但更为疏松的聚合物链提高了CO2渗透率。

综上所述，通过模仿树状结构，采用浸渍涂覆法在PDMS中间层上形成超薄且无缺陷的PDMS-PEG选择层可以制备高CO2分离性能的中空纤维复合膜。这一研究成果具有重要的理论和实践意义，将为气体分离技术领域带来全新突破。该超薄PDMS-PEG膜不仅在CO2/N2分离方面表现出色，同时具备了在工业烟气碳捕集的应用潜力，为环保与能源领域注入了新的活力。（本刊有删节）详情见高分子科学前沿公众号