利用膜技術(shù)替代或與能源密集型低溫蒸餾相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)乙烯/乙烷混合物的精確分離，這是一項(xiàng)極其重要而又極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。受層次結(jié)構(gòu)和促進(jìn)天然氣運(yùn)輸?shù)纳锬さ膯l(fā)，通過(guò)固定銀離子載體和將離子液體浸漬在氧化石墨烯層壓板的二維納米通道內(nèi)，探索出了高度選擇性的乙烯/乙烷分離膜，這些納米通道可在平面內(nèi)滲透乙烯，并可促進(jìn)平面間的乙烯傳遞建立出大量的乙烯納米通道。借助分子篩和載體輔助運(yùn)輸?shù)膮f(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了高乙烯透過(guò)率(72.5 GPU)和超高乙烯/乙烷選擇性(215)的結(jié)合，其性能優(yōu)于目前報(bào)道的先進(jìn)膜。此外，分子動(dòng)力學(xué)模擬證明了有利的膜納米結(jié)構(gòu)可用于乙烯分子的快速和選擇性運(yùn)輸。這種生物啟發(fā)的方法具有雙重傳輸機(jī)制，為精密高性能膜的設(shè)計(jì)開辟了新的途徑。
Figure 1 a)銀/氧化石墨烯膜的制備工藝。b)模擬生物蛋白納米通道的分子篩分和載體輔助運(yùn)輸?shù)碾p重運(yùn)輸機(jī)制。c)原始GO納米片的TEM圖。d) Ag/IL-GO復(fù)合材料的TEM圖。e) GO膜與IL (PAN)的接觸角。f)無(wú)PVDF支撐的Ag/IL-GO膜的照片。
Figure 2 a,b)GO膜的FE-SEM表面和橫截面圖。c,d) IL含量為18wt %的Ag/IL-GO膜的FE-SEM表面和橫截面圖。e,f) GO和Ag/IL-GO膜的三維表面AFM圖。g)利用nm級(jí)XRD光譜分析膜中二維通道的平均層間高度。h) GO、IL-GO和Ag/IL-GO膜的拉曼光譜。
Figure 3 a) IL、GO、IL-GO和Ag/IL-GO膜的ATR-FTIR光譜。b) IL-陽(yáng)離子、NO
3−和銀離子沿GO納米通道寬度方向的空間分布。c) GO納米通道中陽(yáng)離子、陰離子和陰離子結(jié)構(gòu)的徑向分布函數(shù)。d)原子-原子對(duì)關(guān)聯(lián)的徑向分布函數(shù)。e1-e4) GO納米片內(nèi)載載體和IL的納米結(jié)構(gòu)，其中灰色、白色、紅色、藍(lán)色和蒂芙尼藍(lán)色分別代表碳原子、氫原子、氧原子、氮原子和銀原子。f)用XPS光譜驗(yàn)證高載流子活性。
Figure 4 a)基于EIMN的純氣體(H
2, CO
2, N
2, CH
4)和混合氣體(C
2H
4/C
2H
6 )通過(guò)膜的氣體透過(guò)率。b)對(duì)應(yīng)的H
2/N
2、H
2/CH
4、CO
2/N
2、CO
2/CH
4的理想氣體選擇性，以及C
2H
4/C
2H
6的混合氣體選擇性。c) 2010-2019年不同類型膜對(duì)C
2H
4/C
2H
6分離性能的比較。d) IL含量為33%的Ag/IL-GO膜分離的C
2H
4/C
2H
6的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
相關(guān)研究成果于2019年由天津大學(xué)Zhongyi Jiang課題組，發(fā)表在Adv. Funct. Mater. ( https://doi.org/10.1002/adfm.201905229)上。原文：Bioinspired Graphene Oxide Membranes with Dual Transport Mechanisms for Precise Molecular Separation
