高效捕获二氧化碳的纳米材料膜

过量的二氧化碳排放加剧了温室效应，引发极端天气、海平面上升和海洋酸化等严重气候问题。从污染源捕集二氧化碳是缓解气候变化的关键，尤其是天然气烟气中低浓度（约4%）的二氧化碳捕集，因富集过程复杂且成本高，一直面临挑战。膜技术因高效节能和环保优势成为研究热点，但传统聚合物膜存在渗透性与选择性难以兼顾的“罗伯逊上限”问题；而支撑液膜虽能克服这一局限，却因液体蒸发和压力驱动泄漏导致稳定性不足，限制了工业应用。离子液体（ILs）虽解决了支撑液膜的热稳定性问题，但机械稳定性和低渗透性仍是难题。

本研究开发了一种可规模化制备的纳米受限离子液体（NCIL）膜，通过将高二氧化碳选择性的氨基酸离子液体（AAIL）负载到超渗透的单壁碳纳米管（SWCNT）纳米网络中，解决了上述问题。首先，优化SWCNT网络形成超薄（约10 nm）、开放且均匀的纳米受限空间，既能通过强大的毛细力（约25 bar）稳定限制离子液体，又保持低传输阻力（ε/τ因子达0.1）。然后，将1-乙基-3-甲基咪唑甘氨酸盐（[Emim][Gly]）作为CO2移动载体载入SWCNT网络，利用其流动性和富胺功能实现快速CO2促进传递。

性能测试显示，该NCIL膜在模拟天然气烟气（4.2% CO2、饱和水蒸气、N2平衡）条件下，CO2渗透量达1654 GPU，CO2/N2选择性高达1132，超过大多数先进促进传递膜，并在高温高湿条件下稳定运行至少100小时。为验证规模化潜力，研究制备了75 cm²的中空纤维NCIL膜，实现一步将CO2浓度从4.2%提升至98%，截留率达54%。

该研究通过结合SWCNT网络的超渗透结构与AAIL的高选择性，突破了传统支撑离子液体膜的稳定性和渗透性瓶颈，为气体分离用稳定高效膜的设计提供了新思路，展现出巨大的工业应用前景。