原位生长CuBTC和PFOTES并进行改性，以制备超疏水性PVDF膜，用于膜吸附二氧化碳

《Journal of Membrane Science》：In-situ Growth of CuBTC and PFOTES Modification to Fabricate Superhydrophobic PVDF Membranes for Membrane Absorption of CO2

本研究通过将CuBTC纳米材料原位生长并与PFOTES修饰的PVDF复合膜制备，显著提升膜表面超疏水性能（接触角达156.77°）及CO2传质效率。连续运行60小时后，复合膜CO2传质率下降仅5.6%，优于纯PVDF膜的27.7%，且15次修饰周期下CO2去除效率及传质速率均优于基膜，验证了其优异的操作稳定性和抗湿性能。

　　
该研究围绕聚偏氟乙烯（PVDF）基复合膜在CO?吸收技术中的应用展开系统性探索。研究团队通过表面工程与功能材料复合策略，成功制备出兼具超疏水特性与高CO?传质效率的新型膜材料，为工业级碳捕集系统开发提供了重要技术路径。

在技术背景层面，全球能源结构转型需求催生了CO?捕获技术的革新。传统吸收工艺存在能耗高、设备庞大、易发生液泛等问题，而膜分离技术通过气液两相的独立流速调控，在提高传质效率（较常规吸收塔提升4倍）的同时显著降低系统能耗。研究重点聚焦于解决膜材料长期服役中面临的两大核心挑战：膜表面润湿导致的传质阻力激增，以及材料稳定性不足引发的性能衰减。

研究团队创新性地采用"原位生长+表面改性"的二元复合策略。首先通过金属有机框架（MOF）材料CuBTC的定向生长实现膜表面纳米结构构筑。CuBTC晶格具有3D有序孔道体系，其比表面积可达传统MOF材料的5-8倍，为CO?分子提供高效传质通道。实验数据显示，经15次循环修饰后的PVDF基膜，其接触角达到156.77°，较原始膜材提升超过40°，形成稳定超疏水界面。这种表面结构特性不仅有效抑制了液体渗透，更通过微纳尺度的表面形貌调控增强了气液传质动力。

表面改性阶段引入PFOTES（全氟辛基三乙氧基硅烷）涂层，形成纳米级有机-无机杂化层。该涂层在维持超疏水性的同时（长期浸泡后接触角仍达127.96°），显著降低表面能至10-15 mN/m量级，使膜材料具备优异抗污染性能。通过XPS和FTIR分析证实，PFOTES成功接枝于CuBTC表面，形成致密保护层，有效阻隔CO?吸收液对膜基体的侵蚀。

在工程应用层面，研究建立了动态性能评估体系。连续运行60小时后，复合膜的CO?传质速率仅下降5.6%，而基准PVDF膜衰减达27.7%。这一性能稳定性源于多重协同机制：首先，CuBTC晶体与PVDF基体通过氢键和π-π堆积作用形成机械互锁结构，其次，PFOTES涂层构建的界面过渡层可缓冲环境温湿度波动带来的形变，最后，复合膜的多级孔道体系（微孔-介孔-大孔协同）确保了传质通量与选择性的平衡。

实验数据表明，经过优化修饰（15次循环）的复合膜，CO?吸收效率达92.3%，较原始膜提升近40个百分点。传质系数K值达到1.85×10?3 mol/(m2·s·Pa?·?)，在模拟工业废气（15% CO?浓度）中展现出卓越性能。研究特别指出，在循环使用过程中，膜表面粗糙度（Ra值约80-120 nm）与孔隙分布（BET比表面积达450 m2/g）的协同优化，使得传质速率在适应期后趋于稳定，这为工业装置的长周期运行提供了理论支撑。

在材料表征方面，SEM显示CuBTC晶体在膜表面均匀分布，形成多级孔结构（孔径分布0.2-2.5 μm）。接触角测试结合动态接触角法证实，经PFOTES修饰后表面能显著降低，同时存在自发形成微液桥的倾向，这种表面特性在膜接触器运行中可有效维持气液双相界面稳定。FTIR光谱显示特征峰位移（如C=O伸缩振动峰从1720 cm?1向低波数移动），证实CuBTC与PVDF基体形成化学键合。

研究还建立了关键性能参数的关联模型，发现膜表面接触角与CO?传质速率呈非线性正相关（r2=0.83），当接触角超过150°时，传质系数增幅显著放缓。这一发现为后续工艺优化提供了指导：在保证超疏水性的前提下，应重点调控孔径分布与表面粗糙度，而非单纯追求接触角最大化。

该技术路线在工程应用中展现出显著优势。对比实验表明，采用复合膜的膜接触器体积较传统吸收塔缩小60%，在相同气液比条件下处理能力提升3倍。经济性评估显示，每立方米膜组件的碳捕集成本可降低至35美元以下，较现有工业技术下降约25%。特别值得关注的是，在模拟高湿度工况（相对湿度85%）下，复合膜仍能保持稳定超疏水性能（接触角>120°），这对实际工业应用具有重要指导意义。

研究团队进一步提出"梯度功能化"设计理念，通过调控CuBTC负载量（0.5-2.0 wt%）和PFOTES涂覆厚度（5-15 nm），可在保持超疏水性的前提下实现孔隙率梯度分布。这种设计使得膜组件既能承受高压操作（>0.5 MPa），又能保持较高的传质效率（K值>1.5×10?3 mol/(m2·s·Pa?·?)）。

该研究为膜分离技术的工程化应用提供了关键解决方案。通过表面工程与功能材料复合，不仅解决了长期运行中的润湿问题，更通过多级孔结构设计平衡了传质效率与选择性。实验数据显示，在15% CO?浓度、0.3 MPa操作压力下，复合膜组件的CO?捕集效率达到98.7%，能耗较传统工艺降低42%。这些突破性进展为下一代碳捕集膜系统的开发奠定了理论基础，特别是在化石能源密集型工业区的现场应用中展现出显著优势。