近日，我院韩景宾教授课题组和牛津大学Dermot O’Hare教授开展合作研究，在《Nature Communications》发表题为“High-efficiency CO2 separation using hybrid LDH-polymer membranes” (Nat. Commun. 2021, 12, 3069. https://www.nature.com/articles/s41467-021-23121-z)的研究论文。
膜分离技术在天然气/合成气净化、烟道气中裂解气回收及温室气体减排等CO2分离领域具有重要的应用前景，高性能CO2分离膜材料的设计与构筑是实现膜分离技术大规模应用的关键。传统聚合物膜材料普遍存在渗透性和选择性此消彼长（Trade-off效应）的限制，如何突破聚合物膜的Trade-off效应是目前国内外研究的热点。利用二维材料在其面内进行孔结构设计或层间构筑（亚）纳米通道，是提高CO2分离性能的有效途径。但是，目前二维膜材料层间距和孔道结构难以精确调控，制备成本高且可重复性差等问题使其大规模应用受到限制。因此，亟需开发一种兼具CO2高渗透性和高选择性的低成本二维膜材料。
在前期工作中，韩景宾教授课题组发现了LDHs具有优异的气体阻隔性能（Angew. Chem. Int. Ed. 2015. 54, 9673、J. Mater. Chem. A 2015, 3, 12350、Chem. Commun. 2018, 54, 7778、ACS Appl. Mater. Interface等），实现了对O2、N2、H2O、He、H2、CH4等气体分子的高效阻隔。在对比多种气体分子的渗透速率后，发现LDHs二维材料对不同气体分子的阻隔作用大小存在显著差异，部分气体分子（如CO2）受到的阻隔作用较弱。在此基础上，本工作提出在多孔透气基底上构筑LDHs基气体选择性阻隔层，通过优化选择性层的结构及理化性质，控制气体选择性阻隔和渗透性之间的平衡以优化膜的性能，实现了CO2气体的高效分离。将MgAl-LDH剥层纳米片和甲脒亚磺酸(FAS)通过层层自组装后旋涂一薄层聚二甲基硅氧烷(PDMS)，制备得到(LDH/FAS)25-PDMS二维杂化膜材料。研究结果表明，(LDH/FAS)25-PDMS薄膜的CO2渗透性可以达到7748 GPU，CO2选择性因子(SF)：SF(CO2/H2)、SF(CO2/N2)和SF(CO2/CH4)分别为43，86和62，打破了常规聚合物材料存在的Robeson (2008)及Freeman上限。LDH和FAS有序组装形成的超晶格亚纳米通道可以作为CO2筛分的孔道；LDH纳米片表面的碱性和丰富羟基增加了对CO2的吸附亲和力，从而提高了其溶解性。此外，位于LDH纳米片夹层中FAS上的脒基官能团能够选择性结合CO2，发生可逆的化学反应，从而进一步促进了CO2的选择性传递。以上各因素间的协同效应，导致(LDH/FAS)25-PDMS薄膜表现出优异的CO2分离性能。
本文第一作者是我校化学学院博士生许晓芝，韩景宾教授、牛津大学Dermot O’Hare教授为本文的通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。本工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助，研究工作得到了段雪教授和卫敏教授的悉心指导。