最显著的气候问题之一是二氧化碳（CO2）排放量的增加。作为主要的温室气体，CO2直接导致了全球变暖。NOAA莫纳罗亚天文台最近记录的CO2浓度达到了415 ppm，创下了历史最高纪录[1]。全球温度的上升导致了冰川融化、洪水、野火和水生生物死亡，以及物种向较凉爽地区的迁移，因此减少温室气体排放对于缓解气候变化至关重要[2],[3]。目前，化石燃料的燃烧满足了全球约85%的能源需求，仍然是CO2总排放量的主要来源[4]。大气中CO2水平的上升凸显了转向更环保燃料的紧迫性。线性预测表明，即使在乐观的情况下，CO2浓度也可能在不久的将来超过500 ppm[5]。燃烧后的排放，主要来自发电厂、工业和交通运输领域，是最需要减少的部分[5],[6]。能源生产、农业（包括林业）和工业贡献了大约70%的总排放量[7]。如图1所示，燃烧后的CO2排放量持续增加，预计到2050年将达到47.3吉吨，进一步加剧了气候变化。
随着环境问题的加剧，减少CO2的政策和补救措施也在加强。碳捕获与储存涉及分离、压缩、运输和储存CO2，这是欧盟减少化石燃料战略的核心。这些方法包括吸收[10]、膜技术[11]和混合膜吸收接触器[12]。用于从富含氮的烟气中捕获燃烧后CO2的膜分离技术具有稳定性、无需溶剂操作以及可扩展性[13],[14]。然而，低渗透性、选择性和塑性化等问题仍然是当前膜性能的主要限制[15]。
在用于气体分离的聚合物中，芳香族聚酰亚胺（PIs）因其高选择性、耐用性和在平板和空心纤维形式中的适应性而被广泛研究作为CO2/N2分离的选择性膜[16],[17],[18]。通过将填料掺入PIs中形成混合基质或纳米复合膜，可以提高渗透性和/或选择性。常用的填料包括二氧化硅[19],[20],[21],[22]、沸石[23],[24],[25]、金属有机框架（MOFs）[26],[27],[28],[29],[30],[31]（特别是沸石咪唑酸盐框架ZIFs）[32],[33],[34],[35]、氧化石墨烯（GOs）[36],[37],[38],[39]以及聚合物颗粒[41],[42],[43],[44]。这些填料通过吸附、促进扩散或分子筛分来增强CO2的传输，从而提高膜的选择性或渗透性，或同时提高两者。例如，经过氨基接枝纳米二氧化硅改性的Matrimid? 5218的CO2渗透性从4.20巴勒提高到了9.59巴勒，CO2/N2选择性从18.27提高到了50.74[21]。同样，将沸石ZSM-5加入聚酰亚胺基质后，CO2渗透性从3.67巴勒提高到了15.52巴勒，选择性从19.10提高到了35.56[25]。基于氧化石墨烯的膜将CO2渗透性提高到了15.94巴勒，CO2/N2选择性提高到了84.36[40]。这些进展凸显了PI混合基质膜在高效分离各种混合物中的潜力。
特别是在多种填料中，基于铁的填料已被有效掺入不同的聚合物基质中，以提高含CO2气体混合物的分离性能。Harami等人[45]研究了嵌入Fe2O3纳米颗粒的Pebax? 1657混合基质膜在CO2/N2和CO2/CH4分离中的应用。他们的研究表明，Fe2O3纳米颗粒与CO2分子之间有很强的亲和力，使得CO2/N2的选择性显著提高到了157.25，CO2/CH4的选择性提高到了55.95，同时保持了14巴勒下的高CO2渗透性165.6巴勒。类似地，Favvas等人[46]将γ-Fe2O3纳米颗粒掺入碳空心纤维膜中，由于在聚合物-填料界面形成了额外的扩散路径，从而提高了CO2、N2和CH4的渗透性。这些膜的测量渗透性分别为2.4、1.66和2.13 GPU。在另一项研究中，Kim等人[47]开发了基于聚乙二醇并功能化Fe修饰多巴胺的超薄复合膜，专门用于CO2/N2分离。高填料负载使这些膜实现了2560 GPU的CO2渗透性和大约10的CO2/N2选择性。Shahid等人[48]将介孔金属有机框架Fe(BTC)掺入Matrimid? 5218基质中。含有30 wt.% Fe(BTC)的膜表现出30的CO2/CH4理想选择性和13.5巴勒的CO2渗透性。Kojabad等人[49]提出了一种创新方法，他们用Fe2O3纳米颗粒改性了轻质膨胀粘土聚集体（LECA），并将其用于稳定Pebax? 1657基质中的羧基修饰纤维素分散体。这种协同组合显著提高了CO2的传输性能，克服了通常由Robeson线决定的渗透性与选择性之间的trade-off。所得膜的CO2/N2选择性为146.18，CO2渗透性为92.57巴勒。
最具代表性的聚酰亚胺之一是商业上称为Kapton?的PMDA-ODA。它表现出优异的CO2/N2选择性、良好的机械强度以及与多种填料的良好相容性。然而，没有任何天然聚酰亚胺的CO2/N2选择性能够超过Robeson 2008的上限，这表明需要对聚酰亚胺进行改性。因此，在本研究中，将Fe2O3和Fe3O4纳米颗粒（相对于聚合物的质量比为0.5–5.0 wt%）掺入选定的PMDA-ODA聚酰亚胺基质中，以提高CO2/N2的分离性能。这些填料此前尚未被用于玻璃态聚酰亚胺基质中，对其气体传输和结构性质的深入研究凸显了本工作的独特性。通过CO2和N2的渗透实验（纯气体和混合气体）评估了气体传输行为，同时使用智能重力分析仪（IGA）、BET表面积分析（ASAP）和磁性表征方法研究了纳米颗粒的性质。通过对膜进行FTIR、SEM、AFM、TGA、机械测试和吸附研究等全面表征。当前CO2/N2分离膜的技术重点在于引入功能性填料以改善填料与聚合物基质之间的界面相容性[50],[51],[52]。此外，许多研究关注填料在聚合物基质中的均匀分散，这显著提高了气体组分的传输参数。基于此，我们假设氧化铁纳米颗粒可以通过选择性吸附在聚合物-填料界面稳定CO2的传输，从而产生类似于先进功能性填料的效果。这种Fe2O3或Fe3O4与PMDA-ODA之间的界面相容性，是由于氧化铁颗粒的小表面积（物理效应）、大量的羟基（化学效应）以及纳米复合材料中颗粒的磁性辅助稳定性（磁效应）共同作用的结果，有望在不显著降低渗透性的情况下提高CO2/N2选择性。此外，我们旨在提供Fe2O3-和Fe3O4改性膜的传输参数的比较分析，以突出它们的结构和物理化学差异对气体分离性能的影响。
