基于CO2气体分离用SWNTs垂直阵列/聚合物纳滤膜的研究

Cutting back the release of carbon dioxide (CO2) is the most efficient way in mitigating the greenhouse effect and controlling global warming, with CO2 being the major greenhouse gas plagueing our planet. Separation and entrapment of CO2 released into the air is an important way to reduce the CO2 concentration.The overall goal of the proposed research is to acquire nanofiltration membranes based on vertically aligned single- walled nanotubes (VASWNT), with the target end use for CO2 separation and transport in the industry of energy and transportation. Polymeric nanomembranes will be developed via depositing monomers into interstitials of VASWNTs through chemical vapor deposition（ＣＶＤ）,followed by in-situ polymerization. The behaviour of the monomer/oligomer deposition into VASWNT will be investigated to reveal the effects of process parameter. In addition, parameters of nano-processes such as etching of excessive deposits and pore-opening of CNT's will be optimised to obtain nanofilitration membranes free of filling defects, with orderly SWNT assembly, and of high mechanical strength and good heatand chemical resistance. The structure and transport capacity of the fabricated membranes will be characterized. Results from the proposed research are expected to lay a theoretical and meterial base for the manufacture and application of VASWNT-based nanofiltration membrane devices.

CO2是困扰地球的主要温室气体，因此减少CO2 排放是减缓温室效应、控制全球气候变暖的根本举措。对空气中排放的CO2进行分离与捕集是实现CO2减排的重要方法。本项目以获得应用于能源工业、交通运输工业的CO2分离与输运用单壁碳纳米管垂直阵列/聚合物纳滤膜为目的，从高密度垂直单壁碳纳米管阵列管隙间无缺陷填充方法着手，发展一种通过化学气相沉积在单壁碳纳米管阵列间隙原位生成聚合物纳米膜的方法，系统考察在高密度碳纳米管阵列中单体或低聚物的沉积行为，分析阐明工艺条件对沉积状态的影响规律；并深入开展碳纳米管/聚合物纳米体系中多余沉积物刻蚀、碳纳米管开孔等纳米加工工艺条件的研究，获得单壁碳纳米管排布有序、无填充缺陷，具有较高力学强度、耐热性能、耐化学药品性能的纳滤膜。同时，对纳滤膜的结构与气体输运性能进行评估。本项目的研究将为基于单壁碳纳米管垂直阵列的纳滤膜器件的宏量制备及应用研究奠定理论与物质基础。

本项目鉴于碳纳米管（CNTs）定向排列将使其原子级光滑的内表面、优异的力学性能、热稳定性和尺寸可调性等特性发挥更大的效应，且聚苯胺（PANi）作为一种芳香环结构的导电高分子，具有合成简单、热稳定性好以及纳米结构可调等优点，并且能够与CNTs之间形成较强的π-π堆积作用，是一种优异的定向CNTs填充材料等因素，以发展一种基于SWNTs垂直阵列/聚合物纳米复合体系的CO2气体分离纳滤膜器件的新方法为目的，对 PANi合成及其结构调控； VACNTs/PANi纳米复合膜的构筑方法的建立，制备工艺条件对纳米复合膜结构与性能的影响；VACNTs/PANi纳米复合膜的深加工、纳米可控裁剪； VACNTs/PANi纳米复合膜气体输运性能的评价等开展了一系列深入、细致地研究工作，取得了卓有意义的研究成果：.1. 采用微波辅助化学浴聚合PANi的方法，实现了PANi结构的可控制备，建立及阐释了PANi的合成机理、PANi纳米形态演化规律；.2. 发展了电场-机械力场协同法、微波辅助化学浴原位聚合填充阵列法，成功地构建了具有气体分离、超级电容器等应用前景VACNTs/PANi纳米复合膜，建立了制备工艺条件与VACNTs/PANi纳米复合膜结构、性能的关系；.3. 利用PANi纳米纤维的光致发热性，采用闪光焊接的方法，对VACNTs/PANi纳米复合膜进行深度加工，优化了VACNTs/PANi纳米复合膜的结构与性能；.4. 建立了等离子体化学气相沉积系统对VACNTs/PANi纳米复合膜纳米加工的方法，通过探究Ar/O2混合等离子体的流量比、等离子体刻蚀功率、刻蚀刻蚀时间和工作压力等刻蚀条件，实现了对纳米复合膜的可控性裁剪；.5. 通过构建O2、CO2、CH4和N2四种气体在SWNTs和PANi膜内“竞争性吸附”的模型，发展了以分子动力学模拟为研究手段，评估纳滤膜组分SWNTs、PANi气体输运性能的方法。理论上证明了以上四种气体在SWNT、PANi薄膜中均有一定的选择性透过效果，且CO2的透过速率明显低于其他气体。.本项目的研究成果为基于单壁碳纳米管垂直阵列的纳滤膜器件的制备及应用研究奠定了理论与物质基础，对国家的节能减排，建设资源节约型、环境友好型社会具有学术和现实意义。