蘇州納米所在高性能氣體分離膜研究中取得進展

>

氣體分離膜技術以其高效、低能及環境友好等特點，在工業分離領域具有極大的應用前景。傳統氣體分離膜材料氣體滲透係數很低，已越來越不能滿足日益增長的工業需求。開發高透過率、高選擇性的膜材料是人們一直追求的目標。自具微孔聚合物（PIMs）是近年來發展的一類具有高透過性及合理選擇性的高分子材料，其對氣體的高透過率來源於剛性扭曲分子鏈的非有效摺疊而產生的固有微孔結構。設計開發新型高性能的PIMs對氣體分離膜的發展具有重大深遠的意義。

最近，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所靳健課題組通過向聚合物鏈引入剛性結構更強且具有V型立體結構的特勒格鹼（TB）結構單元來構築新型PIMs，相較傳統的PIMs構築單元SBI，特勒格鹼單元具有更強的剛性且更加合適的空間二面角，有利於增強聚合物的微孔結構，提高聚合物對氣體的篩分效應；進一步地，通過合理界面設計對獲得的TB功能化的PIMs進行複合改性，在氣體分離膜領域取得了系列研究進展：

通過共聚法將剛性且扭曲的特勒格鹼基團引入PIM-1主鏈中，設計合成了特勒格鹼基PIM類自具微孔共聚物（TBPIM）。特勒格鹼基團的引入一方面增強了聚合物鏈段剛性，另一方面含特勒格鹼基團中的氮原子大大增強了聚合物對CO2分子的親和性。兩方面的協同作用使得TBPIM共聚物在對CO2/N2、CO2/CH4、O2/N2氣體的分離選擇性上均有較大幅度的提高。研究成果發表在Poly. Chem. 2014, 5, 2793-2800上。

進一步，為解決傳統聚醯亞胺材料氣體透過率低的問題，設計合成了含特勒格鹼結構的單剛性鏈段自具微孔聚醯亞胺（圖1）。該特勒格鹼基自具微孔聚醯亞胺比表面積可達300m2/g，較傳統聚醯亞胺提升兩個數量級，氣體分離性能提升明顯，接近代表高分子氣體分離最佳性能的2008年Robeson上限。研究成果發表在ACS Macro Letters, 2014, 3, 597-601上。在此基礎上，將酸酐與二胺部分做剛性單元替換，獲得了具有雙剛性鏈段的自具微孔聚醯亞胺(圖1)。材料的比表面積提升至600m2/g，氣體分離性能突破2008年Robeson 上限（圖2）。該項研究成果發表在Macromolecules, 2014, 47, 7477-7483。

在此基礎上，課題組以特勒格鹼基自具微孔聚醯亞胺為主題材料，設計製備了聚合物/金屬-有機骨架材料（MOF）混合基質膜。利用MOF超高孔隙率和規整的孔道結構，實現對氣體的有效篩分。為解決MOF粒子在聚合物中的分散及與聚合物母體的兼容性問題，對MOF粒子進行表面修飾和改性，使其與聚合物主體間形成氫鍵和范德華力等作用，增強界面相互作用，提升界面相容性（圖3）。該類混合基質膜材料具有非常優異的綜合氣體分離性能，遠遠超過Robeson上限（圖3）。另外複合膜表現出優異的抗老化性能和熱穩定性。該項研究成果發表在Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201504982上。

圖1. 特勒格鹼基自具微孔聚醯亞胺合成路線、化學結構式、膜光學照片及氮氣吸脫附曲線和孔徑分布

圖2. 雙剛性鏈段特勒格鹼基自具微孔聚醯亞胺氣體分離綜合性能

圖3. 特勒格鹼基自具微孔聚醯亞胺/MOF混合基質膜界面設計示意圖及其氣體分離綜合性能

※蘇州醫工所在低劑量CT成像研究中取得進展
※化學所在高效率有機太陽能電池研究中取得進展
※超薄氧化石墨烯氣體分離膜中非選擇性孔的修補及其氫氣分離性能研究
※哈工大在二氧化碳分離膜研究取得突破
※哈工大磁場驅動仿魚形納米馬達研究取得重要進展
※高能量密度低成本的超級電容器研究取得重要進展
※工程熱物理所葉柵氣膜冷卻研究取得進展
※半導體所等在多功能電子皮膚研究方面取得進展
※遺傳發育所在大豆耐逆分子機制研究中取得進展
※古脊椎所等在化石長頸鹿類食性研究中取得進展
※大米硒蛋白解鉛毒研究取得階段進展
※超低溫水氣轉化研究獲進展
※張明課題組在高性能鈉離子電池負極研究取得重要進展
※類神經突觸晶體管和憶阻器研究中取得進展
※中國科大取得細胞力學研究取要進展
※皮膚型超級電容器研究取得進展
※西安交大電氣學院在光催化分解水產氫催化劑研究方面取得重要進展
※流體力學界面不穩定性研究取得突破性進展
※水生所關於纖毛囊泡的形成與功能研究取得重要進展