二维纳米材料——类水滑石（LDHs）用于气体和液体膜分离过程的最新研究进展

【引言】

最近，由于二维纳米材料具有独特的理化性质、微观结构和孔径筛分的特性，常用于设计高性能的分离膜，突破Robeson上限。其中，类水滑石（LDHs）作为一类二维纳米材料，具有均匀的层间通道，允许在通道高度与客体分子的动力学直径相当的条件下进行精确的筛分。因此，在膜分离方面展现出良好的应用前景，被认为是制备高性能分离膜的理想材料。

【成果简介】

近日，宁波大学的李砚硕教授和大连理工大学的刘毅教授（共同通讯作者）等人首次总结了LDHs纳米材料用于气体和液体膜分离过程的最新研究进展，包括其制备、结构、性质及应用，并展望了LDHs在膜分离领域的发展前景。在J. Membr. Sci上发表了“Recent advances in layered double hydroxides (LDHs) as two-dimensional membrane materials for gas and liquid separations”的综述论文。作者阐述了LDHs纳米材料的制备、剥离和修饰方法，并详细的介绍了引入LDHs在气体和液体分离膜中所起的作用。该论文的第一作者为宁波大学的逯鹏博士，北京林业大学的王强教授为合作作者。

【图文导读】

1.LDHs的结构和修饰

图1. 多晶型堆积模式的LDH的结构

（a）六角形；（b）菱形；（c）剥离LDHs的一般过程

图2. LDHs的修饰

(a) 未修饰的LDHs不能分散在二甲苯中，修饰后能够在二甲苯中很好的分散；(b) 修饰后的LDHs在二甲苯中的紫外可见光谱；(c) 水洗和丙酮洗后LDHs的XRD图

LDHs具有独特的化学和物理性质：1）多种替代金属阳离子，可以精确控制主体层的化学成分; 2）可替代的夹层阴离子有助于调节层间通道高度和功能; 3）独特的“记忆效应”；这些特性使得LDHs纳米材料适于用作高性能膜材料。

2.LDHs用于气体分离膜

图3. LDHs作为选择性分离层用于CH₄/H₂的分离

图4. LDHs作为缓冲层用于气体分离

图5. LDHs作为缓冲层用于气体分离

图6. LDHs作为CO₂的高速运输通道

LDHs作为选择性分离层展现出精准的分子筛分性能；作为缓冲层所制备的复合膜的气体选择性均高于单一的LDHs膜或ZIF膜；并且LDHs对CO₂具有良好的吸附选择性，可作为高速CO₂促进传质通道。

3.LDHs用于液体分离膜

图7. LDHs作为纳米填料用于超滤过程

图8. LDHs作为纳米填料用于纳滤过程

图9. LDHs作为纳米填料用于正渗透过程

图10. LDHs作为吸附剂用于膜吸附过程

图11. LDHs作为疏水层用于油水分离过程

图12. LDHs作为离子传导载体用于甲醇燃料电池

LDHs作为纳米填料能够促进聚合物膜的选择分离性能、亲水性、机械强度、抗污染、抗氯和热稳定性；作为吸附剂展现出杰出的吸附性能（例如：重金属、砷酸盐、磷酸盐、铬酸盐等）；并具有特殊的微观结构可用于油水分离；以及良好的离子传导能力可用于甲醇燃料电池隔膜。

【小结】

综上所述，LDHs纳米材料依靠均匀的层间通道，具有明显的分子筛分效果，可用于制备高性能气体分离膜；碳酸根插层的LDHs可作为CO₂的高速传输通道。另外，LDHs可以作为有效的缓冲层，保证形成无缺陷、高性能的ZIF@LDHs复合膜。进一步将LDHs掺入聚合物膜基质中，显着改善聚合物膜的分离性能和亲水性，并且具有较好的机械强度，热稳定性，导电性，耐氯和抗污染能力。考虑到LDHs可以进一步剥离成单层纳米片或化学改性以改善与聚合物膜的亲和力和相互作用，为设计下一代高性能分离膜提供了新的途径。

文献链接：Recent advances in layered double hydroxides (LDHs) as two-dimensional membrane materials for gas and liquid separations (J. Membr. Sci., DOI: 10.1016/j.memsci.2018.09.041)

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