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Ultrathin Ni-Co nanosheets with disparate-CO2-affinity nanodomains in membranes to improve gas separation

纳米片 选择性 化学工程 材料科学 巴勒 气体分离 促进扩散 磁导率 吸附 纳米孔 纳米技术 化学 有机化学 催化作用 工程类 生物化学
作者
Long Li,Lu Huang,Xia Lv,Jiangnan Wang,Xueqin Li,Zhong Wei
出处
期刊:Separation and Purification Technology [Elsevier BV]
卷期号:292: 121024-121024 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.seppur.2022.121024
摘要

One of the biggest challenges of Pebax-based membranes is how to simultaneously achieve high CO2 permeability and selectivity. Hence, mixed matrix membranes (MMMs) were designed and fabricated by incorporating the ultrathin Ni-Co nanosheet (Ni-Co-NS) fillers into Pebax® MH 1657 (Pebax) matrix to improve CO2 separation performance. The ultrathin Ni-Co-NS fillers had disparate-CO2-affinity nanodomains and were endowed with three main functions in the Pebax/Ni-Co-NS MMMs: i) First, Ni and Co metals constituted CO2-philic and non-CO2-philic nanodomains, respectively, because the two metals had disparate CO2 adsorption enthalpy. CO2-philic nanodomains rendered a high affinity capacity, whereas non-CO2-philic nanodomains rendered low-friction diffusion. Thus, a combination of the disparate-CO2-affinity nanodomains significantly facilitated CO2 transport. ii) Second, the pore size of the nanosheets decreased from 0.79 nm to 0.49 nm by introducing the second Co metal into Ni-NS, and the decreased pores size contributed to strengthen CO2/CH4 selectivity. iii) Third, the uniform nanopores of Ni-Co-NS that paralleled to the gas concentration gradient constituted high-speed CO2 transport channels, which was conducive to improving CO2 permeability of MMMs. Therefore, CO2 separation performance of MMMs was remarkably improved by Ni-Co-NS fillers. Pebax/Ni-Co-NS MMMs with the content of 5 wt% Ni-Co-NS fillers showed the highest CO2 permeability of 483 ± 11 Barrer and CO2/CH4 selectivity of 39 ± 1.1. It implies that the introduction of nanosheets with two different metals is an effective method to fabricate MMMs with an excellent CO2 separation performance.
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