Zn2+-PVAm协同改性UIO-66-(COOH)2提升纳米填料相容性制备高性能CO2分离混合基质膜

针对纳米填料UIO-66-(COOH)2（UC）与聚合物基体界面相容性差及颗粒团聚问题，研究人员创新性提出Zn2+-PVAm协同改性策略，成功制备出高分散性P@UC-Zn填料。所开发的35 wt% P@UC-Zn-PVAm/mPSf混合基质膜（MMMs）展现出卓越的CO2渗透性（3250 GPU）和选择性（166），为工业级碳捕集提供了低成本、高性能膜材料解决方案。

　　

随着全球碳中和目标的推进，二氧化碳（CO₂）分离技术成为研究热点。传统聚合物膜虽成本低廉，但存在渗透性与选择性相互制约的"trade-off"效应；而纯无机膜虽性能优异，却因脆性和高成本难以规模化应用。混合基质膜（MMMs）作为两者的"黄金组合"，理论上能兼具聚合物加工优势与无机材料的高选择性，但实际应用中却面临三大"拦路虎"：纳米填料与聚合物"貌合神离"的界面缺陷、填料团聚导致的性能衰减，以及高昂的制备成本。

天津大学研究团队独辟蹊径，选择绿色廉价的UIO-66-(COOH)₂（UC）纳米填料作为突破口。这种金属有机框架（MOFs）材料以水为溶剂合成，每公斤成本仅669美元，比传统UIO-66-NH₂降低67.6%，且具有更高的CO₂吸附热（Q_st）。但UC表面带负电的羧酸根基团（-COO^-）与阳离子聚合物PVAm相遇时，会产生"磁铁式"的强烈静电作用，导致颗粒严重团聚。研究人员受自然界"螯合缓冲"机制启发，首创Zn²⁺-PVAm协同改性策略：先通过Zn²⁺与羧酸根的配位作用中和表面电荷，再引入PVAm进行接枝修饰，最终获得分散性优异的P@UC-Zn纳米填料。

关键技术包括：1）水热法合成UC纳米颗粒；2）Zn²⁺配位修饰调控表面电荷；3）PVAm接枝改善界面相容性；4）溶液浇铸法制备mPSf基MMMs。通过SEM、EDS、FTIR等表征证实Zn²⁺的均匀分布及PVAm的成功接枝。

【Characterization of nanoparticles】
SEM显示改性前后颗粒保持120-150 nm的球形形貌，EDS图谱证实Zn²⁺在UC-Zn中的均匀分布。FTIR谱图中1710 cm^-1处羧酸特征峰消失，证实Zn²⁺成功配位。

【Gas separation performance】
含35 wt% P@UC-Zn的MMMs在2 bar压力下，CO₂渗透速率为3250 GPU（气体渗透单位），CO₂/N₂选择性达166，较未改性体系提升近3倍。这种"双高"性能源于：1）Zn²⁺与CO₂的π络合作用强化选择性；2）PVAm构建的氨基载体促进CO₂传递。

【Operational stability】
在模拟烟气（CO₂/N₂=15/85 vol%）连续测试120小时后，性能衰减<5%，展现工业级稳定性。

该研究突破性地将低成本UC填料引入MMMs领域，提出的"金属离子-聚合物"协同改性策略为解决纳米填料分散难题提供了普适性方案。所获膜材料在烟气碳捕集（CO₂/N₂）、沼气提纯（CO₂/CH₄）及氢能生产（CO₂/H₂）等场景均具应用潜力。论文发表于《Journal of Membrane Science》，为下一代碳捕集膜材料设计提供了新范式。