CNTs@ZIF复合高效气体分离膜的设计构建及分离机理研究

Preparation strategies and separation mechanism of membranes with defect-free，high-selection and high pore density are still the focus of scientific research, based on important application and constraints of membrane separation technology in the field of energy, water resources, environment. In this research, by one dimensional CNTs@ZIF or CNFs@ZIF nanocomposites as seeds to design synthesize ultrathin membranes with defect-free and high pore density. The effect law of combination mode and microtopography between CNTs or CNFs and ZIF on adsorption efficiency will be revealed. Investigate the formation mechanism and tuning law of micropore structure of CNTs@ZIF membrane. This project will study the permeability mechanism of gas molecules in the membrane in terms of dynamics and reveal influence rule of one dimensional liner seeds on the directional growth, gas separation effect and selectivity of the membrane, and propose the separation mechanism. In order to establish a universal strategy to prepare efficient gas separation membrane based on one dimensional liner seeds. The results are expected to provide theoretical basis and technology support to improve the industrial application of gas separation membrane.

基于膜分离技术在能源、水资源、环境等领域的重要应用及制约因素，无缺陷、高选择性、高孔密度的高效气体分离膜的设计合成和分离机理的研究仍是目前科学研究的重点。本项目主要基于一维材料如碳纳米管（CNTs）或碳纳米纤维（CNFs）与类沸石骨架材料（ZIFs）复合合成 CNTs@ZIF 或CNFs@ZIF一维线性复合材料为晶种，设计合成无缺陷的高孔密度超薄气体分离膜用于高效气体分离。通过揭示CNTs或CNFs和ZIF之间的界面结合方式和微观结构对气体吸附效果的影响规律，探明CNTs@ZIF和CNFs@ZIF复合膜的孔结构的形成机理及调变规律。从动力学角度研究气体分子在膜中的渗透机制，揭示一维线性晶种对膜的定向生长、气体分离效果及选择性的影响机制，提出膜的分离机理，开发一种具有普适性的基于一维线性晶种的高效气体分离膜的设计技术，为气体分离膜的工业应用提供理论和技术指导。

基于膜分离技术在能源、水资源、环境等领域的重要应用及制约因素，设计合成无缺陷、高选择性、高孔密度的高效气体分离膜以及研究其分离机理仍是目前科学研究的重点。项目利用ZIF-8与碳纳米管的协同作用，开发了一种可控制备高比表面积的ZIFs@CNTs一维线性纳米材料的合成技术，设计并成功合成了CNTs@ZIF-8，CNTs@ZIF-67，CNTs@ZIF-8-67等一维线性材料，通过XRD、SEM、TEM、EDS等多种表征手段对材料的组成和形貌进行了系统研究，并探索了产物的电催化性能。将一维线性复合材料ZIF-8@CNTs作为晶种，以阳极氧化铝（AAO）为多孔支撑基底，采用二次生长法进行气体分离膜的制备；以一维线性复合材料ZIF-8@CNTs作为填料，以Pebax-1657为基质，利用溶液铸造法制备了高渗透率和选择性的Pebax/ZIF-8@CNTs混合基质膜，系统研究了合成方法、合成条件等对膜的分离性能之间的影响机制。结果表明，当填料ZIF-8@CNTs添加量为5 wt％时的混合基质膜表现出最佳的机械性能和最佳的气体分离性能，CO2渗透率为225.5 Barrer，CO2/N2选择性为48.9，超过了2008年的Robeson上限，提出了气体分离膜的协同分离机理，具有高比表面积的ZIF-8与碳纳米管的成功复合，克服了二者在聚合物基质中的聚集问题。利用高比表面积的ZIF-8对CO2的吸附能力以及碳纳米管为聚合物基质提供的气体通道共同提高混合基质膜的气体分离性能。Pebax/ZIF-8@CNTs混合基质膜有望用于工业CO2分离应用。