项目名称：CNTs@ZIF复合高效气体分离膜的设计构建及分离机理研究

项目类别：国家自然科学基金青年项目（No：21805085）

项目主持人：仝玉萍

项目执行期：2019.01.01—2021.12.31

项目简介：

基于膜分离技术在能源、水资源、环境等领域的重要应用及制约因素，设计合成无缺陷、高选择性、高孔密度的高效气体分离膜以及研究其分离机理仍是目前科学研究的重点。项目利用ZIF-8与碳纳米管的协同作用，开发了一种可控制备高比表面积的ZIFs@CNTs一维线性纳米材料的合成技术，设计并成功合成了CNTs@ZIF-8，CNTs@ZIF-67，CNTs@ZIF-8-67等一维线性材料，通过XRD、SEM、TEM、EDS等多种表征手段对材料的组成和形貌进行了系统研究，并探索了产物的电催化性能。将一维线性复合材料ZIF-8@CNTs作为晶种，以阳极氧化铝（AAO）为多孔支撑基底，采用二次生长法进行气体分离膜的制备；以一维线性复合材料ZIF-8@CNTs作为填料，以Pebax-1657为基质，利用溶液铸造法制备了高渗透率和选择性的Pebax/ZIF-8@CNTs混合基质膜，系统研究了合成方法、合成条件等对膜的分离性能之间的影响机制。结果表明，当填料ZIF-8@CNTs添加量为5 wt％时的混合基质膜表现出最佳的机械性能和最佳的气体分离性能，CO2渗透率为225.5 Barrer，CO2/N2选择性为48.9，超过了2008年的Robeson上限，提出了气体分离膜的协同分离机理，具有高比表面积的ZIF-8与碳纳米管的成功复合，克服了二者在聚合物基质中的聚集问题。利用高比表面积的ZIF-8对CO₂的吸附能力以及碳纳米管为聚合物基质提供的气体通道共同提高混合基质膜的气体分离性能。Pebax/ZIF-8@CNTs混合基质膜有望用于工业CO₂分离应用。

图1不同碳纳米管掺量和添加方式所得产物CNTs@ZIF-8的TEM照片

图2混合基质膜的AFM图

图3（a）填料填充量对Pebax/ZIF-8@CNTs混合基质膜的混合气体渗透性和选择性的影响，（b，c）纯Pebax膜和混合基质膜的气体分离性能对比。