高性能ZIF-8超高负载混合基质膜的开发及其在CO2捕集中的突破性应用

本文针对气候变化背景下CO2捕集技术能耗高、效率低的难题，创新性地采用含70% wt聚环氧乙烷(PEO)的聚(脲-酰亚胺)橡胶态基质与ZIF-8金属有机框架复合，通过优化"priming"方法实现70% vol超高填料负载。所得混合基质膜(MMMs)在35°C、2 bar条件下CO2渗透性达471 Barrer（提升8.5倍），CO2/N2理想选择性保持30.2，突破传统膜材料选择性与渗透性此消彼长的"Robeson上限"，为工业级碳捕集提供新方案。

　　

全球气候变暖的警钟在2024年巴库阿塞拜疆气候大会(COP 29)上再次敲响，化石燃料燃烧产生的CO₂作为主要温室气体，其捕集技术成为应对气候变化的关键。传统胺吸收法虽成熟但存在高能耗、设备腐蚀等缺陷，而膜分离技术凭借能耗低、易放大等优势崭露头角。然而，聚合物膜普遍面临选择性与渗透性的"跷跷板效应"——这一被Robeson上限定律所描述的困境，成为制约其工业应用的瓶颈。

法国洛林大学（Université de Lorraine）的Anne Jonquieres团队独辟蹊径，选择具有70% wt聚环氧乙烷(PEO)含量的聚(脲-酰亚胺)橡胶态共聚物(PUI JFAED 2000)作为新型基质，与BASF公司生产的Basolite Z1200型ZIF-8金属有机框架复合。通过优化"priming"预处理工艺，创纪录地实现70% vol填料负载——这一数值远超同类研究常见的30-40% vol负载水平。

研究采用多尺度表征技术联用策略：傅里叶变换红外光谱(FTIR-ATR)揭示填料-聚合物界面相互作用，广角X射线散射(WAXS)分析晶体结构变化，扫描电镜-能谱联用(SEM-EDX)观测填料分散状态，差示扫描量热法(DSC)追踪热力学行为。气体渗透性能通过时滞法在模拟工业条件（2 bar，35°C）下测试，并采用Maxwell等四种理论模型预测渗透行为。

【材料合成与表征】
通过两步缩聚反应合成PUI JFAED 2000基质，其PEO软段提供CO₂亲和位点，硬段保障机械强度。WAXS显示ZIF-8特征峰在复合膜中保留，证实填料结构完整性；SEM观察到70% vol样品存在局部团聚但未形成连续渗流网络，EDX元素 mapping证实锌元素均匀分布。DSC发现填料使聚合物玻璃化转变温度升高12°C，表明界面相互作用限制了链段运动。

【气体分离性能】
纯聚合物膜CO₂渗透性为56.7 Barrer，而70% vol ZIF-8负载膜飙升至471 Barrer，增幅达8.5倍，同时CO₂/N₂选择性保持在30.2。这种"双高"特性源于：①ZIF-8的0.34 nm窗口实现分子筛分效应；②PEO链段与CO₂的强相互作用；③填料形成的快速传输通道。Maxwell模型可准确预测60% vol以下负载的渗透行为，但超高负载时因界面效应复杂化产生偏差。

【工业化潜力】
选用商业化Basolite Z1200填料（粒径<1 μm）具有重要工程意义——相比实验室自制纳米填料更易放大生产。研究者特别指出，该体系在制备超薄复合膜（<1 μm活性层）时仍能保持性能，这对降低工业装置成本至关重要。与文献中Pebax/ZIF-8体系相比，新基质使ZIF-8负载上限从50% vol提升至70% vol，且无需添加第三组分（如离子液体或石墨烯）即可接近Robeson上限。

这项发表于《Polymer》的研究标志着混合基质膜技术的重要突破：首次在单一橡胶态基质中实现70% vol ZIF-8负载，并阐明超高负载下填料-界面-性能的构效关系。其创新点不仅在于性能数据本身，更在于为工业放大提供了可复制的材料体系设计范式——采用商业化原料、简化工艺流程、实现性能飞跃。随着COP 29后全球碳捕存需求激增，该技术有望加速从实验室走向烟道气处理现场，为碳中和目标提供膜法解决方案。