新型碳膜实现超快高效二氧化碳分离

传统CO₂分离方法（如化学吸收）存在能耗高、污染大等问题，而膜分离技术因节能、紧凑等优势成为替代方案。但聚合物膜面临渗透性与选择性的权衡难题，碳膜虽有突破潜力，此前材料却因结构致密导致渗透性低，难以满足实际需求。

本研究通过分子设计合成了一种独特的6FDA基共聚酰亚胺前驱体（6FDA5-DAM3-ABTFMB2），其刚性不对称结构含─CH₃和─CF₃基团，能限制分子链运动、破坏紧密堆积。经精确控制碳化温度（600°C、700°C、800°C）制备碳膜（CMS-600、CMS-700、CMS-800），结合分子动力学模拟、热重-质谱/红外联用等技术，系统研究其结构演化与气体分离机制。

结果显示，800°C碳化的CMS-800性能最优：CO₂渗透性达15,700巴雷尔，CO₂/N₂选择性63，CO₂/CH₄选择性52，均超越2019年性能上限。该膜形成双峰孔结构（7-20埃微孔和4-7埃超微孔），气体传输由吸附选择性和分子筛分协同主导——CO₂因强吸附能力优先占据孔隙，同时超微孔对分子大小（亚埃级差异）进行筛分，实现高效分离。此外，该碳膜热稳定性和机械性能优异，在2-10 bar高压下选择性稳定，低温下分离性能更佳，适用于烟道气捕集、天然气脱硫等工业场景。

本工作提出的共聚酰亚胺前驱体设计与碳化调控策略，为制备高渗透性和高选择性的碳膜提供了简易可调方法，解决了传统碳膜机制单一的局限，为工业气体分离（如碳捕集、沼气提纯）的节能化应用开辟了新路径。