通过光热引导的受限凝胶化及锁定工程制备超透气、耐用的二氧化碳选择性离子凝胶膜

《Advanced Functional Materials》：Ultrapermeable, Durable CO2-Selective Ionogel Membranes via Photothermal-Steered Confined Gelation and Locking Engineering

本研究提出光热驱动的双重约束凝胶化技术（CGLE），成功制备了厚度仅为1-3微米的超薄双约束离子凝胶膜（DCIMs），显著提升了CO2渗透率（113 GPU）和选择系数（CO2/N2为68，CO2/CH4为88），同时增强抗压性和长期稳定性，为先进离子凝胶膜的开发提供了新范式。

　　

摘要

离子液体（ILs）对二氧化碳（CO₂）具有优异的选择性溶解能力，这使得基于离子液体的气体分离膜在二氧化碳捕集领域得到了广泛的应用和发展。在过去十年中，已经开发出了多种基于离子液体的膜材料；然而，这些膜通常面临一个严峻的挑战：二氧化碳的渗透性与膜的稳定性之间存在矛盾，因为这两种性能是由相互排斥的设计要求所决定的。本文提出了一种光热驱动的受限凝胶化与锁定技术（CGLE），用于制备超薄的双重受限离子凝胶膜（DCIMs），这种膜具有极高的二氧化碳渗透性和优异的耐久性。在CGLE过程中，将基于碳纳米管（CNTs）的光热受限反应器与离子液体的凝胶化行为相结合，使用聚乙二醇二丙烯酸酯（poly(ethylene glycol diacrylate）和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate）作为离子凝胶前驱体，在碳纳米管堆叠的骨架内实现原位受限聚合和凝胶化，从而使离子液体通过碳纳米管骨架和凝胶网络的双重限制而得到有效固定。这种双限制离子凝胶膜（DCIMs）的厚度大大降低至1–3微米（比传统膜薄约100倍），同时表现出更强的耐压性和更长的使用寿命。此外，DCIMs的二氧化碳渗透率达到了113 GPU，二氧化碳与氮气（CO₂/N₂）及二氧化碳与甲烷（CO₂/CH₄）的选择性分别达到了68和88，远超大多数基于离子液体的膜材料。这些发现标志着在先进离子凝胶膜开发方面的一次范式转变，其应用范围不再局限于气体分离。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。