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开发高效率、低能耗的CO2捕集技术是实现温室气体减排和能源气体净化的共性关键问题。膜技术是最具发展前景的CO2捕集技术之一，开发高渗透性、高选择性、低成本的CO2分离膜材料则是膜技术用于CO2捕集的重要需求。为此，需从分子水平深入揭示CO2传递机制，设计与之相适应的膜结构。本研究以深入揭示和强化CO2分离膜的传递机制为目标，以PEO基共聚物Pebax为高分子膜材料，采用简便、温和的制膜方法制备了一系列具有适宜亲疏性和自由体积特性的CO2分离膜，提出了膜溶解机制与扩散机制独立强化和协同强化的策略，实现了CO2/CH4、CO2/N2的高效分离，以期为高性能CO2分离膜的规模化制备提供理论基础与技术支持。主要研究结果如下：膜溶解机制强化：提出了基于表面偏析原理在复合膜的活性层/支撑层界面富集PEO链段、强化膜溶解机制的膜设计制备方法。界面处富集的PEO既强化了膜的溶解机制，又改善了复合膜在湿态下的界面粘合效果。湿态复合膜的CO2渗透速率达到1275GPU，CO2/N2选择性达到110，较干态膜有显著提高。膜扩散机制强化：受自然界中生物粘合现象，特别是金属离子增强的海洋贻贝类粘合系统启发，将Fe3+与多巴胺配位的金属–有机纳米聚集体以原位生成的方式引入到Pebax高分子基质中，制备了一类新型的高分子–无机纳米杂化膜；通过调节金属–有机纳米聚集体的组成和含量，实现了纳米杂化膜链刚性和链间距的精细调控，进而实现了扩散机制强化，在干态下膜的CO2/CH4分离性能略微超越了2008年报道的Robeson上界，膜的CO2/CH4选择性可达70以上。在湿态下，膜的CO2渗透系数显著增加，但CO2/CH4选择性同步降低。膜溶解–扩散机制协同强化：以利用盐析效应强化膜传递机制为出发点，向Pebax中掺杂碱金属卤盐、碱土金属卤盐、磷钨酸盐和木质素磺酸盐，设计制备了系列聚合物电解质膜，并首次将其用于CO2分离。湿态下，水导致的溶胀作用以及水和盐共同作用产生的盐析效应抵消了干态下盐与高分子络合作用的不利影响，同时强化了膜的溶解机制和扩散机制。膜自由水含量越高，CO2渗透系数越高；膜结合水含量越高，盐析效应越强，选择性越高。系统研究了阳离子与阴离子类型对膜水含量、水状态的影响，发现钙盐和木质素磺酸盐最有利于提高膜的自由水含量，而镁盐和磷钨酸盐最有利于提高膜的结合水含量。膜的CO2/N2、CO2/CH4分离性能均显著超越了2008年的Robeson上界。膜的CO2渗透系数大于2000Barrer，CO2/N2、CO2/CH4选择性分别大于100和30。