ACS Lab7月26日讯：纳米Pin@NH2-UiO-66填料混合基质膜用于天然气净化

背景介绍

从天然气中分离CO2的技术已经引起了广泛关注。膜分离技术被认为是净化天然气最实用的方法之一，具有低操作成本、高能效和低碳排放的优点。工业用膜需要膜在约50 ℃的高温和高气压条件下运行，同时保持高的CO2渗透性、选择性和稳定性。聚合物膜因其低成本和大规模生产能力，在市场上占据主导地位。为了提高性能，多种渗透性填料被集成到聚合物基质中，形成了混合基质膜。在这些混合基质膜中，多孔填料通过创造低阻力的传输路径来增强CO2的分离效率。金属有机框架（MOFs）由于其大表面积和可控的孔隙度，成为了一种很有前景的选择。然而，改善填料与基质之间的界面相互作用仍然具有挑战性，这是由于有机聚合物和MOFs之间存在固有的差异。MOF填料的CO2结合性能在膜性能中起着至关重要的作用。因此，设计出具有优良CO2吸附性能并与聚合物基质有强烈亲和力的MOF填料非常关键。

全文速览

本研究中，作者制备了一种高CO2亲和性的纳米填料（Pin@NH2-UiO-66），并将其与聚醚酰亚胺结合，制备了用于增强CO2/CH4分离能力的混合基质膜。聚乙烯亚胺（PEI）通过共价键附着在H2BDC-NH2配体上，从而更牢固地结合在聚醚酰亚胺基质中。聚乙烯亚胺影响MOF的成核，导致MOF颗粒的微型化。较小尺寸的填料有利于改善填料与基质界面的相互作用。大量氨基官能团接枝到NH2-UiO-66上，增加了CO2的吸附位点，从而增强了对CO2的亲和力。由于改进的相互作用、提升的CO2吸引力以及多孔NH2-UiO-66固有的特性，制备的混合基质膜在CO2/CH4分离中表现出优越性能。30-Pin@NH2-UiO-66-PEI膜（含有30 wt%的纳米填料）表现出CO2/CH4选择性为27.7，CO2渗透率为2498.9 Barrer。CO2渗透率比纯PEI膜高21倍，比通过传统湿浸法制备的PEI改性MOF填料P@NH2-UiO-66 混合基质膜高4倍。此外，这种新型混合基质膜在模拟工业环境的条件下表现出优异的分离稳定性，显示了其在天然气净化中的潜在应用前景。

图文解析

Scheme 1. Schematic illustration for the two preparation methods of mixed-matrix membranes in this work: (a) Pin@NH2-UiO-66 in situ one-pot fabrication process, (b) P@NH2-UiO-66 wet impregnation synthesis process, (c) membrane processing.

要点：作者提出了一种简单的原位一锅合成策略，用于制备聚乙烯亚胺修饰的Pin@NH2-UiO-66。然后将Pin@NH2-UiO-66纳米填料与聚醚酰亚胺物理混合，制备混合基质膜，其CO2分离性能优于通过传统湿法浸渍制备的P@NH2-UiO-66填料。

总结与展望

本研究报道了通过原位一锅法合成聚乙烯亚胺修饰的MOF填料，然后将其掺入PEI中，构建用于高效CO2/CH4分离的混合基质膜。将合成的Pin@NH2-UiO-66-PEI的分离性能与通过传统湿法浸渍制备的填料P@NH2-UiO-66-PEI进行比较。由于原位一锅合成中的聚乙烯亚胺的存在，Pin@NH2-UiO-66填料具有更小的粒径和更高的CO2吸附能力，提高了混合基质膜的界面相容性和CO2传输能力。30 wt%负载的30-Pin@NH2-UiO-66-PEI 混合基质膜的CO2渗透率和CO2/CH4选择性分别达到了2498.9 Barrer和27.7，相较于原始PEI膜（分别为75.1 Barrer和3.3）和P@NH2-UiO-66-PEI膜有显著提高。本研究为合理设计具有独特性质的纳米填料提供了新视角，并解决了混合基质膜界面相容性问题，促进了天然气净化膜的发展。（本刊有删节）详情见ACS Lab MOF HOF COF公众号

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.128403