MXene-PDMS不对称复合膜中气体分离行为的差异性研究：MXene取向对H2/CO2/N2/CH4四元混合气分离性能的影响

为解决聚合物膜在H2分离中渗透性/选择性权衡（Robeson上限）的难题，韩国研究人员通过构建MXene-PDMS不对称复合膜（AC），实现了H2/CO2/N2/CH4四元气的高效分离。该研究优化了单层（SL）与多层（ML）MXene填料负载量（1 wt% SL-MXene与3 wt% ML-MXene），其性能超越Robeson上限，且AC膜在120小时测试中展现稳定选择性。分子动力学模拟揭示了MXene与多孔支撑层的优先相互作用机制，为二维材料膜设计提供新思路。

　　

在全球能源需求激增与碳中和目标的双重压力下，氢能（H₂）被视为未来能源系统的关键支柱。然而，当前主流制氢技术——蒸汽甲烷重整（SMR）产生的混合气（含CO₂/N₂/CH₄）亟需高效分离工艺。传统低温蒸馏与变压吸附技术能耗高，而聚合物膜虽能耗低，却受困于渗透性与选择性的此消彼长（Robeson上限）。更棘手的是，混合基质膜（MMM）的厚致密层严重制约了气体通量。如何突破这一“膜分离困境”，成为学界焦点。

韩国研究团队独辟蹊径，将目光投向二维材料MXene（Ti₃C₂T_x）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）的跨界组合。MXene表面丰富的-O、-OH、-F官能团可构建纳米级气体通道，而PDMS的高渗透性为基底提供了“快速通道”。研究首次系统评估了单层（SL-MXene）与多层（ML-MXene）填料在对称致密膜中的性能差异，并创新性地将其转化为超薄（1 μm）不对称复合膜（AC），发表于《Separation and Purification Technology》。

关键技术方法
研究通过氢氟酸（HF）蚀刻MAX相（Ti₃AlC₂）制备ML-MXene，四甲基氢氧化铵（TMAOH）插层获得SL-MXene；采用X射线衍射（XRD）与原子力显微镜（AFM）验证材料结构；通过刮涂法在聚醚砜（PES）多孔支撑上制备AC膜；利用分子动力学模拟解析MXene-PDMS界面相互作用；采用四元混合气（H₂/CO₂/N₂/CH₄）测试膜性能。

研究结果

MXene纳米片的特性
XRD显示SL-MXene的（002）峰从MAX相的9.50°左移至6.94°，证实成功剥离。AFM揭示SL-MXene厚度仅1.5 nm，横向尺寸达1.5 μm，其高纵横比利于构建气体筛分通道。

对称致密膜的性能优化
1 wt% SL-MXene与3 wt% ML-MXene负载量使H₂渗透性分别达2200 barrer与1800 barrer，H₂/CO₂选择性突破160，显著超越Robeson上限。ML-MXene因层间堆叠形成更多曲折路径，展现出更高的选择性增益。

不对称复合膜的突破
AC膜将选择性层厚度从100 μm降至1 μm，H₂/N₂选择性提升30%，但H₂渗透性轻微下降（约15%）。分子动力学模拟表明，MXene与PES支撑层的强相互作用导致PDMS链段重排，部分阻塞了H₂传输路径。尽管如此，SL1-AC膜在120小时连续测试中保持性能稳定，H₂/CH₄选择性维持在85±3。

结论与意义
该研究首次实现MXene-PDMS从对称致密膜到AC膜的成功转化，揭示了二维材料取向对气体分离的调控机制。通过精准控制MXene负载量与分散状态，AC膜在保持Robeson上限突破性能的同时，将生产成本控制在10,000美元/kg填料以下。分子动力学模拟为界面相互作用提供了原子尺度解释，为未来设计“薄而强”的分离膜奠定理论基础。这项技术有望推动氢能产业链中高纯度H₂的低能耗制备，助力碳中和目标实现。