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GO支撑的纳米受限离子液体膜在碳富集方面的应用研究
《X一MOL资讯》微信公众号 / 时间:2018-08-23 09:46:44

  据X一MOL资讯微信公众平台2018年8月23日讯 二氧化碳的分离和富集在当下社会有重大的经济效益和社会效益,而如何高效低耗地实现其分离和富集是一个具有挑战性的研究方向。膜分离法作为一种新型的分离方式,以其绿色环保、低功耗、高效率的优异特性成为分离领域的宠儿,但膜分离法天然存在着通量和分离比不可兼得的缺陷,为了尽可能缓解这对矛盾,浙江大学的彭新生教授、孔学谦教授和清华大学的徐志平教授团队共同合作,设计了一种以氧化石墨烯(GO)为支撑基底,将离子液体受限在GO的二维纳米尺寸通道内的薄膜,实现了CO2的高效分离。
  近几年来,利用GO片层堆垛而成的薄膜来实现分子或离子的分离得到了广泛的研究。其中,有团队利用GO片层之间的水对CO2的高溶解度特性实现了CO2的有效分离,但是水的易挥发性以及流动性极大地限制了薄膜在高温环境下和长时间条件下的应用。那么,如果有一种流动性更弱、挥发性更低、沸点更高同时对CO2溶解度更高的液体来弥补上述水的缺陷,是否可以改善薄膜的分离性能和稳定性呢?
  基于上述猜想,浙江大学和清华大学团队合作,选择了1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM][BF4])这种离子液体来替代水制成以氧化石墨烯为支撑基底的薄膜(graphene oxide supported ionic liquid membrane, GO-SILM)。离子液体是一种饱和蒸汽压低、粘度大、稳定性强、液态温度范围宽的绿色溶剂,同时对CO2又有很高的溶解度,在气体分离领域已经得到了很多研究,完美符合上述的所有需求。离子液体受限在GO的纳米通道内,一方面使气体的传输机制由纯GO膜的努森扩散转变为溶解扩散机制,因此,离子液体对CO2较高的溶解度在CO2的分离过程中发挥了重要作用;另一方面,纳米尺度的限制以及离子液体与GO的相互作用对离子液体本身的性质也造成了一定程度的变化,影响了离子液体阴阳离子的分布以及对气体的溶解和扩散能力,进一步提升了薄膜的分离性能。


GO支撑的纳米受限离子液体膜在碳富集方面的应用研究


  得益于离子液体的独特性质,上述薄膜除了具有优异的CO2分离性能:在保证CO2仍具有可观的通量的条件下(68.5 GPU),CO2对H2,CH4和N2的分离比相较于其他基于GO的薄膜要高出7倍以上;还具有良好的长时间稳定性和高温稳定性:连续测试长达9天,分离性能没有明显变化;在100 ℃下分离比仍有室温下的50%以上。因此,该薄膜具有很大的应用潜力,同时也展示出二维纳米孔道受限下的离子液体在气体分离方面的良好研究前景。


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  这一成果近期发表在ACS Nano 上,文章的第一编辑为浙江大学博士研究生应文、蔡景松和清华大学博士研究生周柯。(Wen Ying, Jingsong Cai, Ke Zhou, Danke Chen, Yulong Ying, Yi Guo, Xueqian Kong, Zhiping Xu, Xinsheng Peng. Ionic Liquid Selectively Facilitates CO2 Transport through Graphene Oxide Membrane, ACS Nano, 2018, 12, 5385–5393, DOI: 10.1021/acsnano.8b00367)。
  彭新生,浙江大学材料科学与工程学院教授,主要从事功能纳米结构构筑的超薄膜的研发及其在环境与能源领域的应用基础研究。
  孔学谦,浙江大学化学系教授,主要从事固体核磁共振和功能材料研究。研究领域包括高级核磁共振技术的开发应用,复合材料的微观结构和物理性质等。
  徐志平,清华大学工程力学系教授,主要研究方向为复杂材料与系统的力学、动力知识题。
  科研思路分析
  Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?
  A:实验的灵感是来自于一篇含水氧化石墨烯薄膜对CO2有良好分离性能的研究报道,大家知道水易流动且不耐高温,因此上述报道中的膜的稳定性不好,因此大家希翼通过选择合适的液体来弥补水的缺陷,同时提高薄膜的分离性能和稳定性。
  Q:在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里?
  A:最大的挑战在于如何表征离子液体在氧化石墨烯薄膜通道内的形态,限于研究条件,在本研究中主要是通过固态核磁共振技术表征,结合计算来模拟,尚且不够完美。
  Q:本项研究成果最有可能的重要应用有哪些?哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助?
  A:该薄膜对CO2的分离有较大的应用潜力,对那些高CO2排放量或者利用CO2为重要原材料的企业有潜在的帮助;另一方面,这也是一个不错的离子液体在二维孔道受限下性质变化的研究体系,这对于在材料结构性质方面感兴趣的研究学者也会有一定的启发。

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