DOI: 10.1016/j.memsci.2021.119749

电纺纳米纤维毡（NFM）三维网络具有孔隙率高、比表面积大等优点，但多孔结构限制了其在气膜分离中的应用。本研究提出了一种用于CO2/N2分离的新型无缺陷纳米纤维互穿复合膜。它是通过将低分子量聚乙二醇（PEG）原位聚合到PAN NFM的内部空隙中构建而成的。SEM、EDS、ATR-FTIR和C1s XPS表征证明，在这种纳米纤维复合膜（NFCM）中，PAN纳米纤维渗透到PEO基体中，形成了具有良好界面相容性的“钢筋混凝土”结构。PAN纳米纤维充当“钢筋”框架，而空隙密封聚合物PEO充当“混凝土”。它们通过粘合力粘合成一个整体，共同承受外力，比纯PEO膜具有更高的机械性能。此外，由于PAN纳米纤维对CO2分子的屏蔽作用，与相应的纯PEO膜相比，每种PEO/PAN NFCM的CO2渗透性略有降低。然而，与相应的纯PEO膜相比，每种NFCM的CO2/N2选择性增加了13-15。这种增强可归因于PAN纳米纤维重叠和堆叠的尺寸筛选以及沿着不可渗透PAN纳米纤维的曲折传输路径。结果显示，3:7/PAN NFCM的CO2渗透率为343 Barrer，CO2/N2选择性为65.4，超过了2008年Robeson的上限。本研究提出的纳米纤维互穿复合膜具有优异的机械性能，在CO2捕集方面具有广阔的应用前景。

图1.PEO/PAN NFCM的结构示意图及其气体传输机制。

图2.（a）PAN NFM和（b）10:0/PAN NFCM的表面SEM图像，（c）10:0/PAN NFCM的横截面图像和（d）EDS映射（红色：N，绿色：O）,（e）10:0/PAN,（f）7:3/PAN,（g）5:5/PAN和（h）3:7/PAN NFCM横截面的放大图像。（为了解释该图例中对颜色的引用，请参阅本文的网络版本。）

图3.PAN NFM、纯PEGDA膜和具有不同PEGDA/PEGMEA比例的PEO/PAN NFCMs的ATR-FTIR光谱。

图4.3:7/PAN NFCM的C1s XPS光谱。

图5.（a）PAN NFM、纯PEGDA膜和具有不同PEGDA/PEGMEA比例的PEO/PAN NFCMs的TGA曲线以及（b）DTG曲线。

图6.纯PEGDA膜和具有不同PEGDA/PEGMEA比例的PEO/PAN NFCMs的DSC曲线。

图7.（a）具有不同PEGDA/PEGMEA比例的纯PEO膜的应力-应变曲线，（b）具有不同PEGDA/PEGMEA比例的PEO/PAN NFCMs的应力-应变曲线。

图8.增强PEO/PAN NFCM机械性能的“钢筋混凝土”结构示意图。

图9.纯PEGDA膜和具有不同PEGDA质量分数的PEO/PAN NFCMs的气体渗透率和选择性。

图10.（a）纯PEO膜和具有不同PEGDA/PEGMEA比例的PEO/PAN NFCMs的CO2渗透率以及（b）CO2/N2选择性。

图11.本工作与报道的聚合物共混膜的CO2/N2分离性能比较。