双功能仿生载体促进传输混合基质膜的CO₂/N₂高效分离研究

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摘要：
为缓解CO₂排放引发的气候问题，本文合成仿生MOF材料CFA-1并将其掺入Pebax中，制备高效促进传输混合基质膜。最优膜在1 bar、30℃下CO₂渗透率达869 Barrer，CO₂/N₂选择性为88.6，远超2008年Robeson上限，且高温、极端pH条件下稳定性优异。

研究背景：
1. 行业问题和研究现状：CO₂排放加剧气候问题，膜分离技术具应用潜力，但传统聚合物膜存在渗透率与选择性权衡效应；CA酶基膜分离性能优良，但稳定性差、成本高。
2. 本文创新：设计仿生MOF材料CFA-1，模拟CA的CO₂水合位点且稳定性更高、成本更低；CFA-1兼具多孔结构与催化功能，突破传统膜性能瓶颈。

实验部分：
1. 材料合成：合成H₂-bibta配体，通过Zn(COOCH₃)₂·2H₂O与H₂-bibta反应制备CFA-1，经NaHCO₃活化处理。
2. 膜制备：将不同含量（1%、3%、5%）CFA-1分散于Pebax溶液，流延干燥制备混合基质膜，对照组为纯Pebax膜和Pebax/CA膜。
3. 性能测试：进行纯气、混合气、 humidified气渗透率测试，考察温度、pH、压力对膜性能的影响，测试时长180 h。

分析测试：
1. 结构表征：XRD证实CFA-1晶体结构稳定；BET测试显示其比表面积1056.22 m²/g，孔径约0.8 nm；SEM观察到3%含量CFA-1在膜中分散均匀。
2. 热与机械性能：TGA表明CFA-1在250℃以下稳定，膜在350℃以下稳定；Pebax/CFA-1-3%膜拉伸强度和断裂伸长率分别为纯Pebax膜的1.54倍和1.58倍。
3. 分离性能：纯气测试中，3%含量膜CO₂渗透率869 Barrer，选择性88.6；humidified混合气测试中，渗透率达1409 Barrer，选择性83。

总结：
1. 主要结果：成功制备CFA-1/Pebax膜，分离性能与稳定性均优于纯Pebax膜和CA基膜。
2. 创新突破：CFA-1的双功能协同提升膜性能，突破传统膜权衡效应。
3. 潜在意义：为高性能CO₂分离膜的开发提供新路径，助力碳捕集技术工业化。

Dual-function biomimetic carrier based facilitated transport mixed matrix membranes with high stability for efficient CO₂/N₂ separation
文章作者：Weigang Zheng, Zhihong Tian, Zhen Wang, Donglai Peng, Yongsheng Zhang, Jing Wang, Yatao Zhang
DOI：10.1016/j.seppur.2021.120371
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.120371

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