近日，我院新型膜材料与膜过程课题组在气体分离膜领域取得系列进展，相关成果分别发表在国际权威期刊《Nano Letters》、《Advanced Science》、《MaterialsHorizons》之上。

采用一种简便且可扩展的浸涂（dip-coating）方法在中空纤维PVDF基底上构建了薄的Pebax/PEGDA-MXeneCO₂选择层。合理设计并精确地将MXene层间距调控到3.59 Å，使其将CO₂（3.3 Å）从N₂（3.6 Å）和CH₄（3.8 Å）中进行有效分离。此外，通过将PEGDA接枝到MXene的夹层中，在分离层中构建了亲和CO₂的纳米域，以增强对CO₂的亲和力；同时非亲和CO₂的纳米域由于其较低的传质阻力，促进了CO₂在MXene层间传递。最终表现出最佳的CO₂渗透系数为765.5 GPU,同时CO₂/N₂选择性为54.5,CO₂/CH₄选择性为66.2。这种简便的制膜方法可以精确的调控MXene层间距以实现有效的CO₂分离，同时对其他二维材料在膜构建过程中的层间距调控具有重要意义。相关成果以“Rational Design of MXene Hollow Fiber Membranes for Gas Separations”为题发表于《Nano Letters》上。硕士生张一鸣、盛开为共同第一作者，张亚涛教授、朱军勇副教授为共同通讯作者。

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00004

使用吡唑三银（Ag₃pz₃）作为载体填料的C₃H₆促进传递膜，吡唑三银在分子水平（≈15 nm）均匀分散在固有微孔聚合物（PIM-1）基质中，并通过多种分析技术验证，包括3D重建的聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）断层扫描。为了同时实现强π-酸性和与聚合物基质的良好相容性，设计了具有两个吸电子硝基和一个正丁基的吡唑（3,5-二硝基-1H-吡唑-4-甲酸丁酯）。配合物中的Ag⁺可与C₃H₆形成可逆的π配合物，促进C₃H₆的传递，实现C₃H₆/C₃H₈的高效分离。π-酸性的Ag₃pz₃优先与π-碱性C₃H₆结合，密度泛函理论计算证实了这一点，表明Ag₃pz₃中的银离子与C₃H₆形成可逆的π络合物，赋予膜优异的C₃H₆亲和力。所得膜表现出优异的稳定性，高达≈200的C₃H₆/C₃H₈选择性和306 Barrer的优异C₃H₆渗透性，超过了聚合物膜对C₃H₆/C₃H₈分离的上限。这项工作提供了一种概念上的新方法，即将配位不饱和零维配合物作为混合基质膜中的填料，可实现烯烃/烷烃的高效分离。相关成果以“Rational Design of Mixed Matrix Membranes Modulated by Trisilver Complex for Efficient Propylene/Propane Separation”为题发表于《AdvancedScience》上。硕士生从深震、博士生冯孝权为共同第一作者，张亚涛教授、沈祥建副教授和杨光教授为共同通讯作者。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202206858

将N/O对位掺杂的惰性碳C₂N_xO_1-x与高渗透性聚合物PIM-1结合构建具有超高CO₂渗透性的混合基质膜。最佳的C₂N_xO_1-x/PIM-1膜表现出优异的CO₂渗透性（22110 Barrer）, CO₂/N₂选择性为15.5，并且在PEG活化处理后可以获得更高的CO₂渗透性能（37272 Barrer）。同时，分子动力学模拟结果表明C₂N_xO_1-x的丰富有序极性通道及其与PIM-1的优异相容性是膜具有优异的CO₂分离性能的关键因素。相关成果以“Heteroatom-doped noble carbons tailored mixed matrix membrane with ultrapermeability for efficient CO₂separation”为题发表于《Materials Horizons》上，河南大学纳米材料工程研究中心田志红教授和郑州大学化工学院李东洋副教授为论文共同第一作者，王景副教授和张亚涛教授为论文共同通讯作者。

全文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00463e

上述研究得到了国家自然科学基金、河南省杰出青年科学基金、河南省优秀青年科学基金及河南省高校重点科研项目的资助。