国产精品igao视频网网址不卡日韩,亚洲综合在线电影,亚洲婷婷丁香,黄色在线网站噜噜噜

  混合基質膜兼具聚合物賦予的優異可加工性和納米材料構筑的卓越選擇性運輸通道，已成為超越聚合物膜的重要分離膜材料，在二氧化碳（CO₂）分離領域已經展現出了高效的分離性能。將納米材料的獨特性能成功賦予混合基質膜的關鍵，在于調控納米材料在聚合物基質中的空間分布，以形成精細可調的傳輸通道。然而，大多數混合基質膜普遍面臨難題：由于納米材料在聚合物基質中不可避免地發生團聚和沉降，且納米材料與聚合物界面的相容性較差，極易在膜內形成非選擇性缺陷。此外，分散在聚合物基質中的納米材料往往呈離散分布、互不連接，導致混合基質膜內傳輸通道相互隔絕，因此傳輸效率低下。構建連續傳輸通道最有效的方法之一是提高納米材料在混合基質膜中的負載量，但該策略僅適用于少數納米材料與聚合物界面性質相匹配的體系。而且，混合基質膜內高負載量的納米材料也會出現更嚴重的團聚現象，進而產生更多的缺陷。因此，破解這些傳統策略的困境，突破傳統設計范式，開發能夠構建具有互聯傳輸通道的混合基質膜的新方法至關重要。

  為解決這一問題，浙江大學徐志康教授、張超研究員團隊提出一種新型混合基質膜——納米纖維交織凝膠膜（NIGMs）。NIGMs由碳納米管（CNT）交織形成的可調控三維互聯CO₂傳輸通道，和高選擇性CO₂親和凝膠基質構成，可顯著提升CO₂分離過程中的滲透通量與選擇性（圖1）。NIGMs通過創新性的光熱觸發原位凝膠化方法制備：將CNT交織骨架用作光熱受限反應器，引發CO₂親和凝膠的聚合交聯，且凝膠與CNT骨架呈現互穿結構。原位形成的CO₂親和凝膠與CNT交織骨架具有良好的界面相容性，且無選擇性缺陷產生；同時，CO₂親和凝膠富含的極性環氧乙烷單元可提高CO₂相對于N₂的溶解度，進而增強分離選擇性。通過調控交織納米纖維的分布與構型，NIGMs的CO₂滲透通量達到211.0 GPU，相較于純凝膠膜提升1558%；同時，其CO₂/N₂和CO₂/CH₄的選擇性分別高達151和47。更重要的是，NIGMs中的剛性CNT骨架對凝膠基質具有錨定作用，賦予NIGMs優異的長期運行穩定性，即使經過480小時連續運行，其滲透通量與選擇性也僅出現輕微衰減。

  相關研究成果以“Nanofiber-interwoven gel membranes with tunable 3D-interconnected transport channels for efficient CO₂ separation”為題發表在Nature Communications上。審稿人高度評價該工作為“novel architecture”、“a breakthrough in membrane design”、“an innovative and highly impactful strategy”、“significant advancement in gas separation membrane design”等。論文的第一作者為李浩南博士和本科生孫澤鈺，通訊作者為張超研究員和徐志康教授。本工作得到了國家自然科學基金、浙江省自然科學基金和中央高校基本科研業務費的資助。

圖1. 具有三維連通傳輸通道的納米纖維交織凝膠膜（NIGMs）與聚合物膜、傳統混合基質膜的結構與性能對比。

  NIGMs通過光熱觸發原位凝膠化策略制備（圖2）。首先，通過真空抽濾調控具有光熱效應的CNT在多孔基底表面組裝與堆疊，形成納米纖維交織骨架，以此構建光熱受限反應器。隨后，向所制備的CNT交織光熱受限反應器中注入凝膠前驅體，該前驅體以聚乙二醇（PEG）同時作為單體與交聯劑，并以過硫酸銨作為熱引發劑。CNT受限反應器不僅能精確調控注入的凝膠前驅體厚度，還可有效防止前驅體滲入下方的多孔膜中；而選擇PEG作為凝膠基體，是因為其環氧乙烷單元與CO₂之間存在強烈的極性吸引力。最后，在太陽光照下，CNT受限反應器借助經典的光熱效應實現局部加熱，觸發熱引發劑產生大量自由基，從而促使凝膠前驅體原位形成無缺陷的CO₂親和凝膠基質。該策略不涉及傳統混合基質膜制備中常伴隨的相分離，因此能夠徹底消除納米材料與聚合物之間的界面缺陷，形成由相互交織的CNT互連骨架和凝膠基質組成的無缺陷NIGMs，同時具有高達66.7%的CNT負載量。

圖2. NIGMs的制備與表征。

  為驗證NIGMs的CNT交織骨架對其CO₂分離性能的提升，我們首先對比了NIGMs與純凝膠膜的CO₂分離性能（圖3）。NIGMs的CO₂滲透通量達211.0 GPU，是相同厚度純凝膠膜的16.6倍；NIGMs的CO₂/N₂選擇性為151，較純凝膠膜提升3.9倍。此外，將NIGMs表面覆蓋1.2 μm純凝膠后，其滲透通量驟降至26.3 GPU（僅為原NIGMs的12.3%），選擇性較原NIGMs下降了55.6%，再次印證三維互聯CNT交織骨架對NIGMs的CO₂通量與選擇性提升起到的關鍵作用�？傮w而言，NIGMs較純凝膠膜滲透通量提升1558%、選擇性提升287%。相比之下，文獻報道的多數MMMs難以同時實現選擇性和滲透率的雙重顯著提高，表明NIGMs突破了傳統MMMs因界面缺陷難以兼顧通量與選擇性的困境。NIGMs對CO₂通量與選擇性的雙重提升源于其CNT交織骨架與無缺陷凝膠基質的功能協同：CNT交織骨架既提供三維互聯的CO₂傳輸通道，還能破壞凝膠網絡中聚合物鏈的致密堆積以增加自由體積，共同促進CO₂的快速擴散；無缺陷的凝膠基質則利用其極性環氧乙烷單元可進一步增強CO₂的選擇性吸附。

圖3. NIGMs在CO₂分離應用中的優異滲透性和選擇性。

  為了更深入地了解CNT交織骨架對NIGMs的CO₂分離性能的影響，我們采用三種不同長度的CNT制備出具有不同CNT骨架堆疊致密程度的NIGMs，并對比了它們的CO₂分離性能（圖4）。隨著CNT長度的縮短，CNT交織骨架經歷了從松散到致密的結構轉變，導致NIGMs中富凝膠區域的體積分數顯著減少。富凝膠區域不利于氣體滲透，因此，使用短CNT構筑的NIGMs，其CO₂滲透通量和選擇性均顯著高于使用中等長度CNT和長CNT構筑的NIGMs。

  為了揭示NIGMs中CO₂的選擇性分離機制，測量了不同長度CNT制備的NIGMs的CO₂擴散系數，并計算了其CO₂/N₂擴散選擇性。隨著CNT長度的縮短及膜內富凝膠區域體積分數的降低，NIGMs的CO₂擴散系數和擴散選擇性持續上升。此外，分子模擬也顯示NIGMs的自由體積（13.9%）高于純凝膠膜（6.9%），且CO₂在CNT表面的擴散系數（1.16×10^-5 cm²?s^-1）遠高于在凝膠基質中的擴散系數（5.23×10^-8 cm²?s^-1）。上述結果表明，CO₂在NIGMs中的運輸和分離機制遵循經典的溶解-擴散模型，并在很大程度上取決于擴散過程。這種擴散主導的機制主要源于NIGMs內致密堆積的CNT交織骨架，其作為一個相互連接的連續運輸網絡，可有效提升NIGMs的CO₂傳輸速率。

圖4. 具有不同CNT交織骨架的NIGMs的CO₂傳輸與分離機制。

  為凸顯NIGMs在CO₂分離中的應用潛力，將其與文獻報道的凝膠膜、MMMs進行了性能對比（圖5）。NIGMs突破了CO₂/N₂分離的2019年Robeson上限。NIGMs的優異CO₂分離性能還可拓展至天然氣提純的CO₂/CH₄分離，NIGMs的CO₂滲透通量為211.0 GPU，CO₂/CH₄分離選擇性為47，性能超過2008年Robeson上限。

  同時，NIGMs內CNT交織骨架提供機械支撐，與凝膠網絡形成拓撲纏結及非共價作用，賦予NIGMs優異的長期運行穩定性。即使連續運行480小時，NIGMs的CO₂滲透通量仍保持在212.4 GPU，且CO₂/N₂擇性始終超148。

圖5. NIGMs的CO₂/N₂、CO₂/CH₄分離性能與文獻對比及其長時間CO₂分離性能測試。

  總的來說，通過簡便的光熱觸發原位凝膠化策略，本研究設計并制備出具有優異 CO₂分離性能的納米纖維交織凝膠膜（NIGMs）。與傳統溶劑蒸發法制備的混合基質膜不同，即便在66.7%的高納米材料負載量下，NIGMs仍能使納米纖維交織骨架與聚合物凝膠基質保持良好的界面相容性，不產生任何非選擇性缺陷。通過優化納米纖維交織骨架的分布與堆積密度，NIGMs的CO₂滲透通量達211.0 GPU，CO₂/N₂選擇性為151。從更廣闊的視角看，本工作提出的納米纖維交織骨架設計理念，可與其他功能分離層結合，有望推動先進MMMs在氣體分離、水凈化等更多場景的實際應用。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63502-2