​【CO2捕获】CEJ：等离子体工程石墨烯量子点纳米复合材料作为智能亲二氧化碳膜，具有极高的分离性能—Yijui Yeh

【论文链接】

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146547

【作者单位】

国立台湾大学；国立台湾科技大学

【论文摘要】

利用膜技术捕获、分离和利用二氧化碳（CO₂）对于碳中和社会的发展具有重要意义。然而，传统的膜面临着制造能耗高、化学品昂贵且有毒以及效率低等困难。在这里，我们报道了亲CO₂、光学活性氮掺杂石墨烯量子点（NGQD）嵌入聚醚嵌段酰胺（Pebax）基膜，用于高效CO₂分离和灵敏的在线CO₂检测。以生物资源壳聚糖为原料，采用定制微等离子体工艺合成了具有丰富表面功能的NGQDs。具有明确的零维（0D）几何形状、表面官能团和氮掺杂剂的等离子体工程NGQD可以增强CO₂亲性，从而实现CO₂的捕获和分离。此外，NGQD不仅可以产生埃级通道，还可以调节Pebax基膜的形态、孔结构、纳米相结晶度和官能团，从而使pebax基膜具有415 Barrer的CO₂渗透率和125 CO₂/N₂选择性，具有极高的CO₂分离性能。此外，所制造的GQD@Pebax膜稳定的固态PL发射使得能够在CO₂分离过程中灵敏地在线监测CO₂浓度。我们的工作提供了对基于纳米材料的复合材料的CO₂捕获和传输以及用于清洁能源、环境和生物医学应用的先进功能材料的等离子体工程的理解。

【实验方法】

GQD@Pebax膜制造：

利用溶液铸造程序分几个步骤制造GQD@Pebax MMMs。将GQDs加入到60%乙醇和40%去离子水组成的溶剂中，超声40分钟，然后在室温下使用超级搅拌机混合12小时。完全混合后，加入1wt %的Pebax-1657聚合物(3g Pebax溶解在30g溶剂中)。为了使GQDs均匀分布在Pebax聚合物中，将溶液加热到75摄氏度，并再搅拌180分钟。溶解Pebax基纳米复合材料后，将2 mL的溶液滴投到PVDF支撑的膜中，室温下环境干燥12小时。将制作好的膜在真空烤箱中再加热12小时，蒸发掉任何残留的溶剂。

碳捕获测量：

通过使用有效面积为3.5 cm²的内部金属渗透装置，进行了气体渗透试验。二氧化碳和氮气通过膜和多孔金属盘。室温下不同的跨膜压力(1- 6bar)。确定从生产样品中收集的数据的平均值。为了测量渗透气体的流速，使用了皂膜流量计。将混合基质膜(MMMs)小心地放置在渗透池中，然后在开始分离程序之前，对系统进行24小时的疏散以去除任何残留气体。利用该方程计算了气体渗透性(P)和适当选择性(S)。Q为气体流速(cm³/s)， A为膜厚。P为稳定膜P =𝑄𝑡/𝑝压力，单位为cmHg，取值范围为1 ~ 6bar。本研究将理想选择性定义为气体“a”与气体“b”的比率；在这个例子中，“a”是CO₂，“b”是N₂。因此，最优选择性可以用公式 α=Pa/Pb 计算。

PL固体测量在通过量子点量化二氧化碳水平方面表现出卓越的灵敏度和精度。在所进行的实验中，将CO₂注入指定的CO₂室，然后提取气体样品并使用气相色谱法分析气体数据。利用PL固体测量和发射光谱分析了量子材料的诱导光。该过程在60分钟的持续时间内连续进行，以准确评估二氧化碳浓度。

【图文摘取】

【主要结论】

CO₂的捕集、分离和利用不仅对工业应用和基础研究具有重要意义，而且对建立环境安全和可持续发展的社会至关重要。然而，目前基于膜的CO₂捕集和分离技术受到时间和能量效率低、有毒化学物质和昂贵的制造成本等问题的限制。在这项工作中，我们开发了一种简单、简便和可扩展的等离子体工程，以制备具有光学活性的NGQD使能的Pebax基膜，具有极高的CO₂亲和性和稳定的固态PL发射，用于高效的CO₂分离和灵敏的在线CO₂监测。详细的实验和计算研究表明，具有0D纳米结构、丰富表面官能团和N掺杂的等离子体工程NGQDs可以通过优化Pebax膜基质的形貌、孔结构、纳米相结晶度和官能团来增强其CO₂亲水性，具有415 Barrer的CO₂渗透率和125的CO₂/N₂选择性。制造的GQD@Pebax膜的稳定固态PL发射使CO₂浓度在CO₂分离期间的浓度从0 ppm到450 ppm的敏感在线监测成为可能。我们的工作为气体捕获和分离、催化、清洁环境和生物医学应用的先进功能材料制造开辟了新的途径。