基于绿色可聚合低共熔溶剂的固态离子凝胶膜的设计及其高效CO2分离

开发高效捕集工业废气及大气中二氧化碳的技术，对于缓解二氧化碳引发的全球气候变化具有重要战略意义。离子液体具有优异的二氧化碳溶解性，基于离子液体的分离膜因其高效节能的特点被视为实现高效CO₂捕集的重要材料。但这类膜材料受限于分离层厚度，CO₂渗透通量较低，以及离子液相结构相对疏松的分子堆积密度使得CO₂/N₂选择性难以达到较高水平。同时，离子液体自身存在的环境相容性不足、成本高昂以及合成工艺复杂等问题，也给这类膜材料的规模化应用带来巨大障碍。为此，我们采用可聚合低共熔溶剂（PDES）这种绿色的类离子液体，结合Janus膜浸润性差异调控策略，设计了一种新型的选择性层厚度可调控的固态离子凝胶膜（IGM）。PDES不仅具有与离子液体同样优异的CO₂溶解能力，还具有合成简单、成本低廉、可扩展性强、无毒和易生物降解等优点，突破了传统离子液体的应用限制。Janus膜具有不对称浸润性，PDES在膜两侧表现出明显的浸润性差异，通过在Janus膜内构建PDES浸润层，将PDES锁定在其润湿层内，进而经光引发聚合形成选择层嵌入多孔支撑膜的IGMs。通过调控浸润层厚度，IGMs的选择层厚度得以显著降低，展现出远高于支撑离子液体膜的CO₂渗透通量。同时，IGMs致密的固态选择层更易阻碍N₂渗透，显著增强了分离膜的选择性，使CO₂/N₂选择性达到150，大大超越了传统的离子液体基分离膜。此外，嵌入多孔支撑膜的固态选择层显著提升了IGMs的稳定性，可实现长期稳定的分离，展现了PDES在气体分离领域的巨大应用潜力，为探索用于CO₂分离的可持续、高性能离子凝胶膜提供了新的范式。

图1. 固态离子凝胶膜的设计和制备。（a）支撑离子液体膜和IGMs在CO2分离方面的示意图和性能比较。（b）使用Janus膜制备IGMs的示意图。

图2. 润湿性和化学结构的表征。AAc和PDES在Janus膜（a）未改性侧和（b）改性侧的接触角图像。（c）polyAAc和polyPDES随ChCl含量变化的DSC曲线。（d）通过分子动力学模拟获得的polyAAc和polyPDES的自由体积分数。（e）随着ChCl含量的变化，polyPDES的XRD光谱。

图3. IGM的选择层厚度调节和气体分离性能测试。由PDES制备的具有不同选择性层厚度的支撑液膜的激光扫描共聚焦显微镜图像（a）和IGMs的SEM图像（b）及其CO₂分离性能（c）。

图4. IGMs的CO2传质和分离机理。（a）具有不同ChCl含量的IGMs的CO2分离性能。（b）CO2与AAc和ChCl之间的相互作用能。（c）分子动力学模拟CO2通过polyAAc膜和IGM传质的初始和最终状态的示意图。（d, e）N2和CO2通过polyAAc膜和IGM的渗透数。（f）IGM在整个CO2渗透过程中的径向分布函数。（g）IGM中CO2和ChCl中各个元素之间的径向分布函数。

图5. IGMs的性能优势和出色的稳定性。（a）支撑离子液体膜、传统离子凝胶膜以及IGMs之间的CO2分离性和材料成本的比较分析。（b）IGMs的长期稳定性测试。（c, d）IGMs的结构稳定性测试。

相关工作以“De Novo Design of Liquid-free, Solid-state Ionogel Membranes Based on Polymerizable Deep Eutectic Solvent for Highly-selective CO₂ Separation”为题发表在Advanced Functional Materials上（https://doi.org/10.1002/adfm.202512401）。论文的第一作者为硕士研究生顾创伟和博士研究生徐广昌，通讯作者为徐志康教授和张超研究员。该项工作得到了浙江省自然科学基金、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。

https://doi.org/10.1002/adfm.202512401