PEGDA/ZIF-67增强型三元混合基质膜突破CO2分离性能极限

为突破聚合物膜气体分离的渗透性-选择性平衡难题，研究人员创新性地将PEGDA（聚乙二醇二丙烯酸酯）与ZIF-67纳米颗粒共混至Pebax-2533基质，构建新型三元混合基质膜（MMM）。该膜CO2渗透性提升54.4%，CO2/CH4和CO2/N2选择性分别跃升432%和335%，突破Robeson上限，为烟道气分离与沼气升级提供高效解决方案。

　　

随着工业活动加剧，二氧化碳（CO₂）排放问题日益严峻，开发高效的气体分离技术成为当务之急。传统聚合物膜虽具有能耗低、环境友好等优势，却始终难以克服渗透性与选择性此消彼长的"trade-off效应"。其中，聚醚嵌段酰胺（Pebax）因其聚环氧乙烷（PEO）链段与CO₂的强相互作用备受关注，但单纯聚合物膜性能仍无法满足实际需求。金属有机框架（MOFs）尤其是沸石咪唑酯骨架（ZIFs）的引入为这一困境带来转机，其中ZIF-67因其精确匹配CO₂动力学直径的孔道结构展现出卓越分离潜力。然而，纳米颗粒团聚、界面缺陷等问题制约着其性能发挥。

在此背景下，研究人员创新性地提出"三元协同"策略，将富含醚氧基团的PEGDA（聚乙二醇二丙烯酸酯）作为第三组分引入Pebax/ZIF-67体系。PEGDA的醚氧基团（–O–）通过偶极-四极相互作用增强CO₂吸附，其双丙烯酸酯端基还能与Pebax的酰胺基（NH）和ZIF-67的钴离子（Co²⁺）形成氢键网络，有效改善填料分散性并抑制链段刚性化。这种分子级设计不仅构建了快速CO₂传输通道，还通过共价网络限制大分子气体（如N₂、CH₄）扩散，实现渗透性与选择性的协同提升。

研究团队通过溶剂浇铸法制备系列MMMs，系统考察了ZIF-67（0-16 wt%）和PEGDA（10-50 wt%）负载量的影响。采用场发射扫描电镜（FESEM）观察到ZIF-67纳米颗粒呈300 nm规整多面体形态，X射线衍射（XRD）谱图显示特征峰（7.38°、10.36°等）与标准卡片完全匹配，证实材料的高结晶性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测到PEGDA的C=O键（1720 cm^-1）与Pebax的酰胺I带（1640 cm^-1）发生峰位偏移，证实三者间强相互作用。

纳米粒子表征

ZIF-67的氮气吸附-脱附等温线呈现典型I型曲线，比表面积达1523 m²/g，微孔体积0.66 cm³/g，这种多级孔道结构为气体分子筛分奠定基础。

气体分离性能

最优配比膜（30 wt% PEGDA+8 wt% ZIF-67）在25°C、3 bar条件下展现突破性性能：CO₂渗透系数达101.3 Barrer（17.6 GPU），CO₂/CH₄和CO₂/N₂理想选择性分别为61.1和110.7，较纯Pebax膜提升超3倍。特别值得注意的是，该膜性能点同时突破2008年（CO₂/CH₄）和2019年（CO₂/N₂）Robeson上限，创下同类材料新纪录。

结论与展望

该研究通过分子工程策略成功构建"PEGDA-ZIF-67-Pebax"三元协同体系，首次证实PEGDA可同时作为增容剂和性能增强剂。其重要意义在于：1）提出界面相互作用调控新思路，通过氢键网络抑制界面缺陷；2）实现CO₂分离性能的"双突破"，为工业烟气处理提供新材料选择；3）建立可扩展的膜制备工艺，每平方米成本较传统方法降低约18%。未来研究可进一步探索PEGDA分子量调控对膜性能的影响，以及在实际混合气条件下的长期稳定性。该成果发表于《Process Safety and Environmental Protection》，为碳中和目标下的气体分离技术发展注入新动能。