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27
2026
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07
ACS Nano: 反转分离逻辑，纳米限域离子液体膜实现CO₂优先传输
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背景
在合成气净化与蓝氢生产等关键能源过程中，CO₂/H₂分离是不可或缺的一环。传统膜分离主要依赖分子尺寸差异，通常表现为“小分子优先通过”，即H₂优先透过，这虽然可以实现分离，但也意味着需要对H₂进行后续压缩与处理，增加了系统能耗与复杂性。因此，近年来研究逐渐转向“反向筛分”策略——让CO₂优先透过，从源头降低流程能耗。然而，这一目标面临双重挑战：一方面需要显著提升CO₂的溶解与传输能力，另一方面还要避免常见的“通量–选择性权衡”，这使得传统聚合物膜和混合基质膜难以突破性能瓶颈。
创新
近日，中科院过程所何宏艳研究员团队联合中国人民大学王艳磊教授团队提出了一种“可编程渗透反转”策略，通过石墨烯氧化物（GO）纳米片与离子液体（IL）的协同限域构筑新型膜结构，从根本上改变气体传输机制。一方面，采用基底辅助尺寸筛选策略，优先引入大尺寸GO纳米片，构建高度有序的层状纳米通道，显著降低传输路径的弯曲与缺陷；另一方面，将具有高CO₂亲和性的短链离子液体*限域于层间空间，形成连续的“超溶解传输相”。这种结构带来本质变化：CO₂在限域离子液体中获得高溶解度与连续扩散通道，H₂由于缺乏界面亲和性，被排斥在GO界面之外。最终实现了真正意义上的“渗透反转”：CO₂透过速度显著高于H₂，性能上，该膜实现：CO₂渗透率：358.2 GPU，CO₂/H₂选择性：201.9（混合气），超越传统膜分离性能上限，并且在多单元模块中实现线性放大，验证了工程可行性。
意义
该工作突破了膜分离中长期存在的核心范式——“尺寸主导传输”，转而通过纳米限域与界面化学协同，实现“溶解-扩散机制的重编程”，从而主动设计气体传输顺序。从应用角度看，这种CO₂优先透过的膜体系可显著降低氢气压缩与分离成本，为低碳制氢与碳捕集过程提供更*的解决方案。更重要的是，该研究提出了一种通用设计思路：通过二维纳米片与功能流体（如离子液体）的协同限域，可以构建“可编程传输环境”，实现对分离行为的*调控。这为未来开发高性能气体分离膜（如CO₂捕集、天然气净化、氢能分离等）提供了新的材料平台与理论框架。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/2HnFuAlg0gW74kJlO0xQEQ
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