ProgrammingPermeation Inversion in Nanoconfined IonicLiquid Membranes for Ultra-Selective CO2/H2 Separation

渗透 材料科学 离子液体 化学工程 反演(地质) 相位反转 分离(统计) 膜技术 离子键合 分离法 液态液体 分子动力学 化学物理 合成膜 色谱法 分析化学(期刊) 磁导率
作者
Yue Qiu,Xinyue Pi,Lin Zhao,Dong HF,Junfeng Lu,Yumiao Lu,Yanlei Wang,Hongyan He
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (30): 21327-21336
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c07156
摘要

To bypass the enduring limitations intrinsic to traditional size-sieving separation, alternative materials for CO2/H2 separation need to be developed. Here, we program a permeation inversion in CO2/H2 transport by constructing a nanoconfined ionic liquid membrane through the synergistic engineering of graphene oxide nanosheets and ionic liquids. A substrate-assisted size-selection strategy enables the preferential incorporation of large nanosheets, which form ordered laminates, while short-chain CO2-philic ionic liquids are precisely confined within the interlayer galleries. The resulting membrane exhibits inverted transport behavior, achieving an ultrahigh CO2 permeance of 358.2 GPU and a mixed-gas CO2/H2 selectivity of 201.9 under a 10:90 CO2/H2 feed─surpassing the upper bounds of conventional polymeric and mixed-matrix membranes. Scalability is demonstrated using a five-cell module, in which CO2 flux increases linearly without selectivity loss. Molecular dynamics simulations and spectroscopic studies reveal that the nanoconfined ionic liquid phase creates a continuous, high-solubility pathway for CO2, whereas H2 is largely excluded from the graphene oxide interfaces. This study establishes nanosheet-ionic liquid synergy as a programmable design platform to engineer permeation inversion, offering a scalable route to advanced CO2/H2 separation membranes.
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