新型塑料晶体膜突破二氧化碳分离瓶颈，正电子技术揭秘微观奥秘——科学家通过聚合物添加剂调控材料自由体积，实现高效碳捕获

塑料晶体膜的崛起

随着全球碳排放问题日益严峻，膜分离技术因能耗低、操作简便成为碳捕获领域的新宠。传统胺吸收法存在溶剂降解、高能耗等缺陷，而有机离子塑料晶体（OIPC）膜因其独特的固态离子结构崭露头角。这类材料在塑料相中兼具长程有序与短程无序特性，其内部旋转自由度形成的缺陷结构可显著提升气体渗透性。本次研究的核心材料——3-乙基-3-甲基恶唑啉双(氟磺酰)亚胺（[C₂moxa][FSI]），通过与聚合物复合，有望突破气体分离的渗透性-选择性平衡难题。

渗透性与选择性的“跷跷板”

当前聚合物膜（如PDMS）虽具高CO₂渗透性，但CO₂/N₂选择性普遍较低；而无机膜虽选择性优异，却成本高昂、加工困难。如何在不牺牲选择性的前提下提升渗透性，成为碳捕获膜技术的核心挑战。OIPC材料虽能通过固-固相变产生自由体积（缺陷孔洞），但其调控机制尚不明确，亟需微观尺度上的精准表征手段。

添加剂协同调控自由体积

澳大利亚迪肯大学团队创新性地将聚四氟乙烯（PTFE）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚醚砜（PES）和氧化铝加入[C₂moxa][FSI]/PVDF-HFP基复合膜中，发现：

· PTFE提升选择性：使CO₂/N₂选择性达415，创OIPC膜新纪录（渗透性166 barrer）；

· PDMS提升渗透性：CO₂渗透性跃升至328 barrer（选择性219）；

· 氧化铝增强离子扩散：通过界面效应提升气体输运效率。

正电子湮没测量揭示关键机制

为解析添加剂的作用本质，团队采用正电子湮没寿命谱（PALS）技术（由安徽核芯电子科技提供设备支持），首次量化了材料内部的“自由体积”变化：

· PDMS的扩容效应：通过PALS测得自由体积分数（FFV）高达1529 a.u.（对比未添加膜为1169 a.u.），证实其通过扩大纳米孔洞（直径6.56Å）提升CO₂溶解度（0.41 mol/mol膜）；

· PTFE的筛分作用：虽未显著增加孔洞尺寸，但其氟碳骨架优先吸附CO₂，抑制N₂渗透；

· 氧化铝的离子通道效应：脉冲场梯度核磁（PFG-NMR）显示其促进阴离子扩散，提升CO₂传输动力学。

研究意义与应用展望

1. 机制创新：首次证实添加剂可通过调节自由体积（溶解度）与离子扩散（渗透性）双路径优化分离性能，为膜设计提供新范式；

2. 碳捕获突破：PTFE改性膜CO₂/N₂选择性（415）远超工业应用门槛，PDMS膜渗透性（328 barrer）为迄今OIPC膜最高值；

3. 扩展应用：该技术可推广至氢气纯化、烯烃/烷烃分离等领域，助力化工低碳转型。

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