基于分子印迹纤维膜的电场极化调控CO2吸附/解吸的夹层结构装置研究

本研究针对传统CO2吸附材料选择性差、再生能耗高的问题，开发了以尼龙6纤维膜(Nfm)为基底、分子印迹聚合物(MIP)涂层的夹层结构电场极化(EP)装置。通过调控电场频率(450-1000 kHz)，实现了CO2吸附容量从1.37提升至1.97 mmol/g的突破，并完成15次循环再生，为碳捕获技术提供了新型低能耗解决方案。

　　

全球气候变暖已成为严峻的环境挑战，其中二氧化碳(CO₂)过量排放是主要诱因。尽管碳捕获与封存技术被寄予厚望，但传统胺基吸附剂存在吸附容量低(通常<1.5 mmol/g)、选择性差、再生能耗高等瓶颈。更棘手的是，商业聚合物吸附剂往往在重复使用中性能急剧衰减，这严重制约了实际应用。在此背景下，分子印迹技术(Molecular Imprinting Technology, MIT)因其能创建与目标分子精确匹配的三维空腔而备受关注，但如何实现吸附过程的精准调控仍是未解难题。

为解决这一系列问题，研究人员创新性地将电场极化(Electric Polarization, EP)效应与分子印迹技术相结合。研究团队设计了一种"三明治"结构的装置：以电纺尼龙6纤维膜(Nylon-6 fibrous membrane, Nfm)为基底，表面涂覆以草酸为模板、聚(N,N-二甲氨基乙基甲基丙烯酸酯)(Poly(N,N-dimethyl aminoethyl methacrylate), PDMAEMA)为主体的分子印迹聚合物(Molecularly Imprinted Polymers, MIP)，形成核壳结构的Nfm/MIP纤维膜，再将其夹在两个不锈钢网电极之间构成完整器件。

关键技术方法包括：(1)采用静电纺丝制备Nfm基底；(2)通过模板聚合法构建具有CO₂特异性识别位点的MIP涂层；(3)搭建可调频(0-1000 kHz)的EP装置；(4)通过Langmuir/Freundlich等温模型和动力学模型定量分析吸附性能；(5)结合SEM、TEM、XPS等多尺度表征手段验证材料结构。

研究结果方面：

1. 材料特性表征
   扫描电镜显示Nfm/MIP纤维直径(342±152 nm)较原始Nfm(317±141 nm)增大，表面粗糙度显著提高，TEM证实成功构建核壳结构。XPS检测到O1s峰增强，FTIR在1740 cm^-1出现C=O特征峰，证实MIP层成功修饰。

2. 无电场时的吸附性能
   在298 K标准条件下，Nfm/MIP对CO₂的最大吸附量达1.37 mmol/g，显著高于非印迹材料Nfm/NIP(0.92 mmol/g)。印迹因子(Imprinting Factor, IF)在低压低温下最高达1.49，表明MIP成功构建了特异性识别位点。动力学分析显示PFO模型拟合度最佳，吸附速率常数K₁为0.314 min^-1。

3. 电场调控的吸附行为
   施加26V/450 kHz的EP后，CO₂吸附量跃升至1.97 mmol/g，增幅达43.8%。此时IF值提升至2.19，表明电场显著增强了特异性识别。频率响应实验发现450 kHz为最佳频率，此时吸附选择性(α)对CO₂/N₂达68.1，而1000 kHz时吸附量骤降至0.28 mmol/g，形成"开关效应"。

4. 实际应用性能
   在模拟燃煤烟气条件(0.15 bar CO₂)下，EP调控使气体纯度从88.4%提升至92.5%。通过交替使用450 kHz(吸附)和1000 kHz(解吸)，材料经15次循环后仍保持1.23 mmol/g的吸附容量，远优于传统热再生法(0.77 mmol/g)。计算显示单次吸附能耗仅11.65-15.03 nJ，极具能效优势。

这项发表于《Environmental Technology》的研究具有多重重要意义：首先，开创性地将EP效应引入CO₂吸附领域，通过频率调控实现了吸附-解吸的精准切换；其次，开发的Nfm/MIP材料兼具高选择性(IF>2)和快速响应特性(K₁提升133%)；最重要的是，该技术突破了传统热再生能耗高的限制，为碳捕获提供了全新的低能耗解决方案。研究提出的"电场频率开关"概念可拓展至其他气体分离体系，为智能吸附材料设计提供了新范式。

特别值得注意的是，PDMAEMA中叔胺基团的独特响应机制是技术核心：在450 kHz时，电场诱导的偶极矩使胺基质子化，增强与CO₂的Lewis酸碱作用；而在1000 kHz时，偶极弛豫效应导致能量耗散，促使CO₂脱附。这种"频率编码"的吸附调控方式，避免了传统热再生导致的材料结构损伤，展现出显著的工程应用价值。