設計用于氣體分離的聚合物膜的一個挑戰是在滲透性（即氣體流過膜的速度）與選擇性（將一種氣體與另一種氣體分離的能力）之間的權衡。一般來說，膜的選擇性越高，氣體流過它的速度就越慢。如何權衡是目前膜材料設計的難題，下面且看最新Science如何破局！目前人類面臨的最大挑戰之一是減少向大氣中排放的溫室氣體。世界各地的研究小組正在嘗試尋找方法，以從工業工廠和發電廠排放的氣體混合物中有效分離出二氧化碳（CO2）。在實現這一目標的眾多策略中，膜分離是一種有吸引力的廉價選擇，它涉及使用聚合物膜從氣體混合物中選擇性吸收捕獲CO2。近日，挪威科技工業研究所（SINTEF）Marius Sandru和美國北卡羅來納州立大學Richard J. Spontak聯合提出了一種混合集成膜策略來吸收捕獲CO2。該混合集成薄膜主要通過化學功能化，帶有一個不規則的親CO2接枝鏈表面層。一個高溶解機制使表面層中CO2的濃度被目標氣流中自然存在的水蒸氣所聚集，隨后通過高滲透性（但低選擇性）的聚合物機制快速傳輸。通過此方式制備的混合集成多層膜不受擴散限制，保留了大部分的高CO2滲透性，而且CO2選擇性在某些情況下增加了約150倍。該論文以題為“An integrated materials approach to ultrapermeable and ultraselective CO2 polymer membranes”發表在Science上
為了緩解全球氣候變化，需要在膜技術方面取得進展，將提高CO2分離效率與低成本、簡易制造和機械堅固性結合起來。除化學吸收法之外，另一個捕獲CO2方法是聚合物氣體分離膜，它可以通過化學方法來實現不同程度的CO2選擇性和滲透性。由聚醚制備的交聯彈性膜具有反向選擇性，這說明了它的選擇性是基于溶解度而不是尺寸（即擴散），并且對CO2具有強烈的化學親和力。另外，玻璃質聚合物（如聚酰亞胺和聚砜）可通過各種方式改變滲透分子遷移的自由體積行徑。除了這些成熟的膜技術外，最近的研究表明，加濕的離子體在適度的選擇性下促進了CO2高滲透率，而含有移動的CO2載體的膜可以在相對低的滲透率下產生高的CO2選擇性。因此，如何平衡滲透性和選擇性的關系是設計CO2分離的聚合物膜的一個挑戰。為了改善通過膜的氣體通量，聚合物膜從50~100μm厚發展到比它薄一至兩個數量級的支撐薄膜以保留聚合物的選擇性特性，并減少擴散路徑的長度。圖A中包含制造具有這兩種特性的聚合物膜的一種途徑。首先，在支撐的高滲透性聚合物薄膜上生長一個超薄的含胺表面層以產生一個高溶解性且快速擴散薄膜?；旌霞桑℉I）膜通過表面聚合引入的可調整的表面功能化，使其表面被高度親CO2和親水的納米級聚合物層覆蓋。CO2、N2和H2O的混合氣體首先遇到富含胺的分子薄層（圖B中的區域I），并且CO2通過水合層滲透。然后，高濃度的CO2分子進入并迅速滲透到密集的聚合物支撐物（區域II），最后是大孔支撐物（區域III），產生高CO2/ N2選擇性和高CO2滲透性。在這種方法中，選擇兩種具有相對較高CO2滲透性的氣體分離膜彈性聚二甲基硅氧烷（PDMS）和玻璃質聚四氟乙烯（PTFE AF）通過化學變化進行表面改性。實驗結果發現，CO2滲透率對壓力的依賴性證實了母體PDMS和PTFE AF聚合物薄膜具有可比的滲透能力，并且在所考察的范圍內基本上不受壓力增加的影響。同時，未改性和改性聚合物的混合氣體CO2/N2選擇性隨著壓力的增加而略有下降，而am-PDMS和am-PTFE AF聚合物表現出高度的選擇性水平。圖通過母體和胺改性聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚四氟乙烯（PTFE）AF膜進行分子運輸通過改性之后的am-PTFE AF膜在1200 Barrer達到的CO2/N2選擇性遠遠高于Robeson或基于PIM的上限值（分別為~30倍和~20倍）。同樣重要的是am-PTFE AF在不同溫度下的增強分離性能與am-PDMS和am-PDMS-2膜相比變化較小。當胺的表面層在聚合過程中表現出較少的異質性時，am-PTFE AF和am-PDMS-2膜的CO2傳輸特性趨于一致。在兩種不同的氣體混合物的情況下，am-PTFE AF膜保持在CO2方面uP和uS性能。此外，盡管作者的報告結果非常令人鼓舞，但應該認識到其他三個相關問題。首先，在這項工作中開發的膜來自于已經用于商業氣體分離的聚合物，在這種情況下，它們是廣泛可用的且為工業操作制造和擴大氣體分離模塊所需的工藝將適應表面功能化的類似物。其次，因為PTFE AF和PDMS膜在商業上已經使用，表面功能化的額外費用很可能要少于引入一個新的設計膜。最后，作者的研究中描述的方法并不局限于PTFE AF和PDMS。通過將分子薄的胺表層與高滲透性的聚合物膜結合起來促進運輸，作者已經成功地證明了HI膜可以通過納米制造來利用這種高溶解度、快速擴散的組合，并產生下一代膜，而不是受限于滲透性-選擇性的權衡，既是uP又是uS。M. Sandru et al., An integrated materials approach to ultra permeable and ultra selective CO2 polymer membranes. Science 376, 90-94 (2022).DOI: 10.1126/science.abj9351https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9351
