用于直接空气捕集二氧化碳（m-DAC）的石墨烯掺杂膜

《Carbon Trends》：Graphene-doped membranes for direct air capture (m-DAC) of CO 2

本研究开发了一种基于Pebax聚合物和氨基功能化石墨烯氧化物（A-GO）的混合基质膜（MMM），用于低浓度CO?（0.04% v/v）捕获。实验表明，0.3 wt.% A-GO改性的Pebax MMM在干燥条件下实现CO?/N?选择性68±2和渗透性21.27±0.5 GPU，在45%RH湿度下性能稳定。过程模拟显示，三阶段膜系统可实现78% CO?回收率和80%纯度，能耗约31,000 kWh/吨CO?。该技术通过界面工程增强CO?亲和力，并克服了传统膜在超低浓度下的分离瓶颈，为低成本直接空气捕获提供了新路径。

　　随着全球碳排放的持续增长，大气中二氧化碳（CO?）浓度的上升已成为全球变暖和气候变化的关键驱动因素。因此，开发高效的CO?捕集技术对于实现全球低碳和净零排放目标至关重要。传统的CO?捕集方法，如胺基吸收和固体干燥剂，虽然在工业应用中较为成熟，但其高能耗和高成本限制了其大规模推广。相比之下，膜气体分离技术因其过程简单、能耗低和潜在的成本优势，被认为是CO?捕集的有希望替代方案。然而，膜技术在直接空气捕集（DAC）中的应用仍处于初步探索阶段，尤其是在处理超低浓度CO?（约0.04%体积比）和高湿度环境下的挑战。

在DAC中，膜技术的关键优势在于其连续捕集能力，无需化学再生步骤。这使得膜气体分离技术在低维护和模块化操作方面具有显著优势。然而，目前的膜材料在处理如此低浓度CO?时面临严峻挑战，尤其是在分离效率和选择性方面。例如，现有吸附材料在捕集每吨CO?时需要高达1700至2300千瓦时的能耗，而膜技术在处理高浓度CO?（如烟气中的CO?浓度约为4–15%体积比）时已显示出较高的分离效率。然而，对于DAC所需的超低浓度CO?，当前的膜材料尚未达到足够的选择性和通透性。

为了解决这一问题，研究人员开发了一种基于Pebax-GO混合矩阵膜（MMM）的新型膜材料。Pebax是一种具有柔性和高极性的聚醚嵌段酰胺（PEBA）材料，而GO（氧化石墨烯）则因其丰富的氧官能团和高比表面积而被广泛研究用于气体分离。通过将胺基功能化的GO纳米片引入Pebax基质中，研究人员成功提升了膜的选择性和通透性。这种设计不仅增强了CO?在膜中的亲和力，还通过间质扩散机制提高了气体传输效率。实验结果显示，Pebax/A-GO-0.3膜在DAC条件下（0.04% CO?体积比）表现出68±2的选择性和21.27±0.5 GPU的通透性，这一表现远超现有膜材料的性能水平。

此外，研究还测试了膜在高湿度条件下的稳定性，发现其在相对湿度高达45%的情况下仍能保持与干燥空气测试相当的选择性，这为膜技术在实际DAC环境中的应用提供了有力支持。这一发现表明，该膜材料不仅在低浓度CO?条件下表现出色，而且在高湿度环境中也具有良好的稳定性，这是DAC系统设计中的关键要求。研究人员还通过多级膜过程模拟评估了该技术的可扩展性，结果表明在实际应用中，该技术具有可行性，并且在大规模CO?捕集方面具备经济潜力。

膜气体分离技术在DAC中的应用仍面临诸多挑战，尤其是在处理超低浓度CO?和高湿度空气时。这些挑战主要源于CO?的低浓度、高扩散阻力以及水分子对CO?传输的干扰。为了克服这些障碍，研究团队采用了一种创新的材料设计策略，通过在Pebax基质中引入胺基功能化的GO纳米片，不仅提升了膜的选择性，还通过间质扩散机制提高了通透性。这种设计使得膜能够在低浓度和高湿度条件下实现高效的CO?分离。

在材料合成方面，研究人员采用了一种改进的Hummer方法制备GO纳米片，并通过化学修饰引入胺基官能团。这些修饰不仅增强了GO与Pebax基质之间的相容性，还通过氢键作用和极性相互作用提升了CO?的亲和力。实验结果表明，胺基修饰的GO在低浓度CO?条件下表现出更高的通透性，这与膜中的间质扩散机制密切相关。相比之下，未修饰的GO和PEI-GO膜在低浓度CO?条件下表现出较弱的通透性，这可能与其较低的胺基含量和较差的结构稳定性有关。

为了进一步验证膜的性能，研究团队通过多种表征技术对其化学结构、形态和表面性质进行了详细分析。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱分析表明，胺基修饰的GO在膜中引入了新的官能团，这些官能团显著提升了CO?的亲和力和传输效率。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，膜具有均匀的结构和良好的界面结合，这有助于维持其高选择性和通透性。此外，接触角测试结果表明，胺基修饰的GO提高了膜的亲水性，使其在高湿度条件下表现出更强的稳定性。

在气体渗透测试中，研究人员评估了膜在不同湿度条件下的CO?/N?选择性和通透性。结果显示，对于胺基修饰的GO膜，随着湿度的增加，CO?/N?选择性显著提升，而通透性则略有下降。这一现象表明，湿度对膜的性能具有复杂的影响，可能通过改变膜的微观结构和气体传输机制来实现。相比之下，未修饰的GO膜在高湿度条件下表现出更显著的通透性增加，这可能与其在水分作用下的膨胀有关。

研究还通过多级膜过程模拟评估了该技术的可扩展性。模拟结果表明，随着分离阶段的增加，CO?的纯度和回收率均有所提高，但同时能量消耗和操作成本也随之上升。为了在实际应用中实现最佳性能，研究建议采用多阶段膜系统，其中膜用于初步浓缩CO?，随后通过其他技术（如吸附或吸收）进行精制。这种混合系统不仅可以提高整体分离效率，还能显著降低能耗。

尽管膜技术在DAC中的应用仍处于发展阶段，但其在低浓度CO?捕集方面的潜力已得到初步验证。未来的研究方向应集中在进一步优化膜材料，以提高其在高湿度条件下的稳定性和选择性。此外，开发能够有效排斥水分而不影响CO?传输的新型膜材料也是重要的研究课题。随着膜材料性能的持续提升，膜气体分离技术有望成为未来DAC的重要组成部分，为实现全球碳中和目标提供关键技术支持。