天津大学化工学院Zhongyi Jiang等–将氨基酸功能化氧化石墨烯纳米片加入Pebax膜用于CO2分离

氧化石墨烯(GO)纳米片作为一种多功能纳米填料，可以在混合基质膜(MMMs)中形成二维通道，但由于缺乏适当的化学官能团，限制了氧化石墨烯纳米片的灵活操作。在本研究中，我们选择氨基酸(精氨酸、组氨酸和半胱氨酸)直接交联改性氧化石墨烯纳米片，氨基酸在氧化石墨烯纳米片上的负载量大于20%。然后将改性的氧化石墨烯纳米片填充到Pebax基体中制备MMMs。比较了不同纳米填料对MMMs的CO₂分离性能，发现不同氨基酸修饰的氧化石墨烯纳米片对CO₂的溶解机制的强化程度依次为精氨酸@GO > 组氨酸@GO >半胱氨酸@GO。通过密度泛函理论(DFT)计算，进一步阐明了气体分子与氨基酸之间的相互作用机理。在干燥状态下，CO₂与胺基之间的络合能(Ec)与氨基酸中CO₂与羧基之间的络合能相似。特别是,0.4 wt% arg@GO纳米片制备的膜具有169 Barrer的CO₂渗透性和70的CO₂/N₂选择性，并超过了2008年的上限。氨基酸改性氧化石墨烯纳米片为探索二氧化碳在MMMs内的转移机制和制备高性能分离膜提供了新的途径。

图1. 纳米片在乙醇/水中的TEM图像(a) GO纳米片，(b) arg@GO纳米片，(c) his@GO纳米片和(d) cys@GO纳米片。

图2. GO, arg@GO, his@GO, cys@GO的特性:(a) XRD曲线，(b) FT-IR光谱，(c) GO中C (1 s)的XPS曲线，(d) arg@GO中C (1 s)的XPS曲线，(e)填料的XPS曲线，(f)填料的TGA曲线。

图3. 膜截面的FESEM图像(a) Pebax， (b) GO/Pebax(0.4)， (c) arg@GO/Pebax (0.4)， (d) his@GO/Pebax (0.4)， (e) cys@GO/Pebax (0.4)，（f） arg@GO/ Pebax(1.0)。

图4. (a)薄膜的FT-IR光谱(b) XRD谱图。

图5. 填料含量对膜气体分离性能的影响(a) CO₂渗透性(b) CO₂/N₂选择性(在1 bar, 25℃时测试)(c) CO₂溶解系数(10^-1 cm³ (STP) cm³cmHg^-1) (d) CO₂扩散系数(10 cm² s^-1)。

图6. 填料对MMMs气体溶解和扩散系数的影响(在1 bar, 25℃下测试)。

图7. 分子静电势映射在氨基酸和分子式(a)精氨酸(b)组氨酸(c)半胱氨酸上。

图8. 分子静电势映射在精氨酸和CO₂络合物络合能的001,002,003位点上(a)精氨酸(b)组氨酸(c)半胱氨酸。

图9. 压力对MMMs气体分离性能的影响(a) CO₂渗透率(b) CO₂/N₂选择性(c) CO₂/CH₄选择性(在25℃下测试)和(d)本工作CO₂/N₂分离性能与其他工作的比较。

相关研究成果由天津大学化工学院Zhongyi Jiang等人于2022年发表在Separation and Purification Technology (https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.120682)上。原文：Incorporating amino acids functionalized graphene oxide nanosheets into Pebax membranes for CO₂separation。