山东大学王旭Angew：用于高效CO2分离的可修复、可回收和可升级回收的CO2分离凝胶膜

研究背景

自1751年以来，全球CO₂排放量超过1.5万亿吨，2023年的排放量更是达到了历史新高。在此背景下，国际社会为减少CO₂排放、实现碳达峰和碳中和做出了许多努力。因此，用于捕集和分离CO₂的可持续技术和高性能材料变得至关重要。

相比于传统的CO₂吸附分离技术，新型的膜分离技术因环境友好、分离效率高、易于放大等优点备受青睐。离子凝胶膜结合了高CO₂溶解性离子液体和聚合物凝胶的优点得到了广泛的研究。然而，凝胶与离子液体二者之间的相互作用影响着离子凝胶膜的稳定性，导致机械性能差且存在泄漏的风险。迄今为止，化学交联已成为改善离子凝胶机械性能的主要方法，但这通常会限制其自修复能力和再循环的可能性。如何协调这些性能，以实现具有优越综合性能的可持续离子凝胶膜，仍然是一个重大挑战。

成果简介

针对上述问题，山东大学王旭教授课题组提出了一种协同的方法，同时引入了共价作用和超分子作用的离子液体，强化了离子凝胶中的相互作用，构建出具有优异机械性能和零泄漏的可修复、可回收和可升级利用气体分离离子凝胶膜（图1）。相关研究成果以“Healable, Recyclable, and Upcyclable Gel Membranes for Efficient Carbon Dioxide Separation”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。文章第一作者是山东大学硕士研究生肖静，通讯作者为朱腾阳博士，李逸坦研究员和王旭教授。该研究得到国家自然科学基金委、山东省自然科学基金委和山东省教育厅的支持。

图1 两种离子凝胶性能对比

核心内容

1.离子凝胶膜的超分子相互作用

离子凝胶膜表现出显著的综合性能，如优异的机械性能、稳定性、可修复性以及可回收性，可归因于膜内复杂的超分子相互作用，包括静电作用、离子-偶极相互作用和氢键相互作用，这些相互作用可通过红外与氟谱核磁进行详细分析（图2）。

图2离子凝胶的红外和核磁谱图

2.离子凝胶膜的综合性能

在该工作中，我们详细地研究了离子液体含量对离子凝胶膜综合性能的影响（图3）。结果发现，随着离子液体含量的增加，离子凝胶膜具有更松散的物理交联网络结构，其机械性能呈现逐渐下降的趋势，但机械强度仍可达到0.86 MPa，具有较高的机械强度。此外，随着离子液体含量从30wt%增加到60wt%，离子凝胶膜的CO₂渗透性显著提高，从45.4 Barrer增至186.4 Barrer。同时，CO₂/N₂的理想选择性从56.2增加到61.7，CO₂/CH₄的理想选择性从20.5增至24.6，表明离子凝胶膜在CO₂分离应用中具有重要的潜力。

图3离子凝胶性能对比

3. 离子凝胶膜的气体分离机理

为了深入探讨气体与离子凝胶之间的相互作用，我们采用了分子动力学模拟来阐明离子凝胶膜的气体分离机理（图4）。模拟结果显示，随着离子液体含量增加，聚合物链之间的间隙逐渐扩大且聚合物链的灵活性有所增强，离子凝胶膜的自由体积分数逐步提升，使得气体渗透率逐步上升。此外，通过各气体分子与离子凝胶膜之间的径向分布函数以及结合能的计算表明离子液体的存在显著增强了离子凝胶的气体分离性能。

图4离子凝胶的气体分离机理

4. 离子凝胶膜的可修复与可回收特性

由于其可逆超分子相互作用，CPSBIG离子凝胶膜不仅展示了自修复性能，还能实现多次循环和再加工的效果。我们采用了溶剂回收和热压技术来实现离子凝胶膜的再回收利用（图5）。这些研究结果突显了离子凝胶膜出色的自修复效率和卓越的循环利用能力。同时，对自修复和再循环后的离子凝胶膜的气体分离性能进行了评估，结果表明离子凝胶膜可以在经过自修复或多次回收后有效地保留原始的气体分离性能。

图5离子凝胶的自修复与可回收性能

5. 离子凝胶膜的可升级回收特性

该离子凝胶膜还表现出可升级回收的特性。通过对损伤后的离子凝胶膜进行升级回收能够转化为具有出色传感性能的离子皮肤，进一步提高其实用价价值。如图6所示，CPSBIG_122-50的离子导电性可达5.3 × 10^–4 S cm^–1，表明其具有良好的离子导电性。通过使用两层弹性VHB胶带封装回收的离子凝胶CPSBIG_122-50样品可构建应变传感器，该传感器可以快速可靠地检测小应变和大应变，具有稳定、高重复性和可逆的传感性能。

图6 离子凝胶升级回收后作为离子皮肤的传感性能

总结与展望

本研究开发了一种离子凝胶膜，其中离子液体与聚合物基质通过共聚和超分子结合进行优化，用于二氧化碳分离。这种离子凝胶膜不仅具备容纳高含量离子液体的潜力，还表现出优异的机械性能，以及优秀的自修复和循环再利用能力。离子凝胶膜内的超分子相互作用，包括静电、离子偶极和氢键相互作用，是实现其良好的整体性能的关键因素。此外，通过分子动力学模拟，阐明了二氧化碳、氮气和甲烷与离子凝胶膜之间的相互作用。值得注意的是，即使经历了多次修复和循环，离子凝胶膜仍然保持着良好的气体分离性能，突显了其在可持续应用中的潜力。更重要的是，受损的离子凝胶膜可以升级为高价值材料，例如用于传感和隐秘通信应用的离子皮肤。这种离子凝胶材料以其高机械强度、优秀的自修复能力、可循环和可升级的特性，以及出色的气体分离性能，展示了推动气体分离领域可持续发展的一种新方法。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202411270