基于6FDA-Durene混合基质膜与离子液体混合基质膜的CO2/CH4分离原子级解析及性能优化研究

为解决CO2/CH4分离中传统膜材料选择性-渗透性权衡难题，研究人员通过计算模拟构建了离子液体混合基质膜（ILMMMs）的原子级研究框架。利用Material Studio和COMPASS力场，揭示了二氧化硅（SiO2）和离子液体（[EMIM][Tf2N]等）对膜自由体积（FFV）、d-间距及气体扩散性能的调控机制，使CO2选择性提升达39.42%，为工业级碳捕集膜设计提供了理论基石。

　　

随着全球温室气体减排需求加剧，天然气中CO₂的高效分离成为能源工业的痛点。传统聚合物膜面临选择性（selectivity）与渗透性（permeability）的“trade-off效应”，而混合基质膜（Mixed Matrix Membrane, MMM）虽通过无机填料（如SiO₂）提升性能，却因填料-聚合物界面缺陷和团聚问题难以突破。更棘手的是，离子液体（Ionic Liquid, IL）改性膜（ILMMMs）虽能改善界面相容性，但缺乏原子尺度的机理研究工具，导致膜设计长期依赖试错法。

针对这一瓶颈，研究人员在《Results in Engineering》发表的研究中，首次建立了基于Material Studio和COMPASS力场的计算框架，系统解析了6FDA-Durene（一种高性能聚酰亚胺）为基质的ILMMMs微观特性与气体分离机制。通过对比实验数据验证（MARD<0.1362），该模型成功量化了SiO₂和三种IL（[EMIM][Tf₂N]、[BMIM][Tf₂N]、[BMIM][PF₆]）对膜结构的调控规律。

关键方法
研究采用分子动力学模拟（Molecular Dynamics, MD）结合蒙特卡洛方法，计算了膜的自由体积分数（FFV）、d-间距（反映链段堆叠密度）及气体扩散系数，并通过结合能分析验证填料-基质的相互作用强度。

研究结果

1. 结构特性：SiO₂使FFV降低但d-间距增大，表明其创造了更大但更稀疏的孔道；而IL的引入进一步压缩FFV（降幅14.3%–21.2%）和d-间距（11.1%–16.8%），证实其填充效应增强膜致密性。
2. 界面相互作用：结合能分析显示，IL使SiO₂与6FDA-Durene的结合能提升2–3倍，有效抑制填料团聚。
3. 气体传输：SiO₂使CO₂和CH₄扩散系数分别增加40.7%和13.9%，而IL因致密化作用使气体扩散性降低约20%。溶解度分析表明，气体吸附能力与FFV和膜表面积直接相关。
4. 分离性能：ILMMMs的CO₂/CH₄选择性最高提升至39.42%，远超纯聚合物膜。

结论与意义
该研究不仅构建了首个经实验验证的ILMMMs计算模型，更揭示了IL通过“界面增强”和“孔道精细调控”双重机制提升分离性能的原子级原理。其提出的“FFV-d-间距-结合能”协同优化策略，为工业碳捕集膜的理性设计提供了新范式，尤其对高CO₂浓度天然气处理具有重大应用潜力。