CO2温室气体膜分离技术的研究是倍受世界瞩目的涉及能源和环境问题的重大课题之一。SiO2膜以其优良的化学稳定性和热稳定性，成为近十多年来新型膜分离技术研究和开发的重点。普通SiO2膜水气稳定性差，使用条件受到极大限制，对其疏水改性成为此项技术应用的关键科学问题。提高SiO2膜疏水性的方法有高温热处理、疏水基团化学修饰、引入无机氧化物、过渡金属元素或表面活性剂以及反向扩散化学气相沉积技术等，但这些方法往往不能同时兼顾渗透速率和分离效率两项指标。本文以提高SiO2膜的水气稳定性，同步增大H2的渗透速率和H2/CO2选择性为目标，采用溶胶-凝胶（sol-gel）法制备SiO2膜，对其进行甲基化改性，在疏水性SiO2膜中掺杂可促进H2传输的金属元素，并对膜的水热稳定性进行了详细的研究工作。1）以TEOS、水和无水乙醇为原料，硝酸为催化剂，制备了不同反应物配比的TEOS-SiO2溶胶。结果表明，随着HNO3加入量（RH）的增加，溶胶的粒径略有增大，粘度和固含量大幅增加，而凝胶时间缩短；然而，水加入量（RW）增加，溶胶的粒径明显增大，在RW为6.0~8.0时，溶胶的粘度、固含量和凝胶时间分别达到极值；随着乙醇加入量（RC）的增加，溶胶的粘度、固含量和粒径减小，凝胶时间延长；提高反应温度和延长反应时间，溶胶的粘度、固含量和粒径增大，而凝胶时间缩短。随着稀释倍数的增加，溶胶的粘度和固含量降低，但溶胶易发生团聚，粒径增大，粒径分布增宽。制备TEOS-SiO2膜适宜的RH为0.04~0.12，RW为3.0~8.0，RC为3.0~8.0，反应温度为50~70℃，反应时间为1~3h。TEOS-SiO2溶胶以Si－O－Si键为主，所形成的SiO2具有线型结构，随着凝胶点的接近，粘度急剧增加，溶胶性能劣化，溶胶分子逐渐由线型结构过度到三维网络结构。低温陈化有利于延长溶胶的凝胶时间。随着焙烧温度的升高，所得TEOS-SiO2材料中Si－OH数量减小。TEOS-SiO2膜在220℃以前的低温段焙烧应慢速升温。2）采用甲基三乙氧基硅烷（MTES）作为疏水性前驱物，对TEOS-SiO2溶胶进行甲基化改性制备MTES-SiO2溶胶。结果表明，MTES/TEOS和醇水比是影响SiO2溶胶甲基化改性的关键因素。随着MTES/TEOS的增加，溶胶的粘度降低，凝胶时间延长，粒径略有增大，当MTES/TEOS增至一定值时，溶胶的稳定性恶化，XRD测试表征其溶胶粒子有形成晶体的趋势；增大体系的醇水比，可以提高稳定MTES-SiO2溶胶中允许的MTES/TEOS，从而增进溶胶的甲基化改性程度；红外光谱分析表明，MTES-SiO2溶胶体系中已成功引入Si－CH3基团，所形成的溶胶分子仍具有线型结构。3）通过改变焙烧温度的方法，采用XRD、红外光谱、拉曼光谱、TG-DTG分析、接触角测定以及AFM法分别剖析了MTES-SiO2材料的亲水/疏水性和物理•化学结构在热处理过程中的演变过程及规律，揭示了甲基无机化的热分解机理，探明了保持MTES-SiO2膜疏水性的适宜焙烧温度，并利用Coast-Redfern积分法和Αchar微分法相结合的方法，首次求算了MTES-SiO2材料热分解的动力学机理函数，计算出了相关活化能和指前因子。结果表明，MTES-SiO2材料为非晶体，其水接触角在焙烧温度为350℃时达到最大；随着焙烧温度的升高，MTES-SiO2膜中Si－CH3和O－H吸收峰强度减弱，当焙烧温度达到600℃时，Si－CH3完全消失，SiO2颗粒形成晶体的趋势增加；当焙烧温度继续升高至750℃时，样品中残余C－H基团进一步无机化为无定形游离碳和CSi4。保持MTES-SiO2膜疏水性适宜的焙烧温度为300~400℃。从MTES-SiO2材料开始受热至样品中C－H基团无机化，整个过程经历了4个阶段，各阶段具有不同的动力学机理函数，4个阶段的活化能分别为78.08、117.02、236.96和403.83　kJ•mol򖇃，指前因子分别为3.85×1010、7.77×109、2.13×1013和1.78×1019s򖇃。4）采用浸渍法，制备MTES-SiO2膜，通过接触角测定、红外光谱、XPS、N2吸附-脱附分析以及吸水增重和气体渗透实验，考察了MTES添加量对SiO2膜表面自由能、物理•化学结构以及水气稳定性的影响，确定了疏水性MTES-SiO2膜中MTES的适宜添加量，揭示了MTES-SiO2膜疏水改性机理和气体传输机制。结果表明，MTES-SiO2膜表面显示出了明显的电子供体性，MTES-SiO2膜疏水性的变化主要来自极性Lewis酸-碱分量中电子供体分量　的贡献。随着MTES/TEOS摩尔比的增加，SiO2膜的表面自由能和极性分量降低，疏水性增加，这是由于膜表面非极性Si－CH3基团数量增加，而极性Si－O和O－H基团数量减小的缘故；在水气环境中陈化后，SiO2膜的表面自由能和极性分量增大，疏水性降低，主要是因为样品表面极性O－H基团数量增加所致。疏水性MTES-SiO2膜硅溶胶中MTES/TEOS应≥0.8。随着MTES/TEOS摩尔比的增加，SiO2膜样品的N2吸附量、比表面积减小，而平均孔径和总孔体积略有增加。随着涂膜层数的增加，TEOS-SiO2和MTES-SiO2膜的气体渗透速率不断降低，气体选择性逐渐增加。在室温下，压差对两种SiO2膜（TEOS-SiO2膜和MTES-SiO2膜，以下同）气体渗透速率和H2/CO2选择性的影响基本可以忽略不计。随着温度的升高，两种SiO2膜的CO2渗透速率略有降低，H2渗透速率和H2/CO2选择性略有增加。在24小时的稳定性实验中，两种SiO2膜的H2和CO2渗透速率几乎不变。与TEOS-SiO2膜相比，MTES-SiO2膜的气体渗透速率有了显著增大，但气体选择性却没有明显下降。在水气环境中陈化后，两种SiO2膜的气体选择性未出现显著降低，但TEOS-SiO2膜气体渗透速率明显减小，而MTES-SiO2膜的气体渗透速率仅有较小降低。TEOS-SiO2和MTES-SiO2膜气体传输机制主要受努森扩散和分子筛分作用共同控制。TEOS-SiO2膜经再生后H2渗透速率恢复到陈化前的58.10%，H2/CO2选择性较陈化前增大了4.35%，而MTES-SiO2膜经再生后H2渗透速率恢复到陈化前的88.2%，H2/CO2选择性较陈化前增大了3.77%。MTES-SiO2膜显示了更好的水气稳定性和再生性。5）采用溶胶修饰法，在疏水性MTES-SiO2膜中掺杂纳米金属银，制备Ag-MTES-SiO2膜。通过XRD、紫外-可见分光光度法以及XPS分析，确证了纳米金属银粒子的形成，采用TG-DTG、接触角测定法、红外光谱、N2吸附-脱附、热分析动力学法以及气体渗透实验考察了载银对MTES-SiO2膜中物理•化学结构和甲基热稳定性的影响，分析了纳米金属银的形成机制，揭示了Ag-MTES-SiO2膜的气体传输机制。结果表明，Ag-MTES-SiO2膜经200℃以上焙烧后，样品中即出现了金属Ag纳米颗粒，这些金属Ag为面心立方结构。随着焙烧温度的升高和银含量的增大，Ag粒子的平均粒径增大，这些单质银为AgNO3还原所得。金属银的负载对样品中Si－CH3的热稳定性基本无影响。随着银含量的增加，Ag-MTES-SiO2膜样品的平均孔径、总孔体积、气体渗透速率以及水气稳定性增加，更重要的是H2/CO2选择性也有增大的趋势。在室温下，压差对Ag-MTES-SiO2膜H2、CO2渗透速率和H2/CO2选择性的影响可以忽略不计。随着温度的升高，Ag-MTES-SiO2膜的H2渗透速率和H2/CO2选择性均有所增大。在水气环境中陈化后，Ag-MTES-SiO2膜的H2渗透速率稍有下降，H2/CO2选择性略有增大。水气环境中陈化后的AgNO3/TEOS=0.03和0.08的SiO2膜经再生后H2渗透速率则分别恢复到陈化前的92.0%和96.0%，H2/CO2选择性分别较陈化前增大了4.54%和5.64%。银的负载调变了微孔膜的表面特性和传输机制，促进了H2的表面扩散，在提高SiO2膜水气稳定性的基础上，同时增大了H2的渗透速率和H2/CO2选择性，进一步增强了SiO2膜的再生性。