交聯共聚聚酰亞胺制(zhì)備的(de)碳分(fēn)子(zǐ)篩膜用(yòng)于氣體(tǐ)分(fēn)離(lí)

高(gāo)分(fēn)子(zǐ)科(kē)學前沿12月(yuè)14日(rì)訊：碳分(fēn)子(zǐ)篩（CMS）膜具有(yǒu)精确的(de)分(f​ēn)子(zǐ)識别能(néng)力和(hé)便捷的(de)可(kě)擴展性，是(shì)大(dà)規模、高(gāo)®能(néng)效氣體(tǐ)分(fēn)離(lí)的(de)有(yǒu)吸引力的(de)下(xià)一(yī)代膜。CMSπ膜可(kě)以通(tōng)過可(kě)控熱(rè)解不(bù)對(duì)稱中空(kōng)纖維形式生(shēng)産，從(cóng)而提供比典型的(de)結晶分↕(fēn)子(zǐ)篩膜更簡單和(hé)更經濟的(de)擴展性。無定形CMS膜顯示出雙峰孔徑分(fēn)布，包括微(wēi)孔（7-20埃）和(hé)超微(•wēi)孔（<7埃）。較大(dà)的(de)微(wēi)孔為(wèi)氣體(tǐ)分(fēn)子(zǐ)提供了(↕le)較高(gāo)的(de)吸附能(néng)力和(hé)較長(cháng)的(de)滲透跳(tiào)躍長(cháng)度，從(c¥óng)而實現(xiàn)了(le)較高(gāo)的(de)氣體(tǐ)滲透率，而亞微(wēi)米級的(de)分(fēn)子(zǐ)篩超微(wēi)孔則提供了(l☆e)非凡的(de)尺寸辨别能(néng)力。聚合物(wù)前體(tǐ)影(yǐng)響最終CMS膜的(de)結構和(hé)分(fēn)離(lεí)性能(néng)。聚酰亞胺系列，特别是(shì)基于6FDA的(de)聚酰亞胺（6FDA代表4,4'-六氟異亞丙基)二鄰苯二甲酸酐），是(sh±ì)有(yǒu)吸引力的(de)CMS膜的(de)前體(tǐ)材料。在從(cóng)聚酰亞胺前體(tǐ)到(♦dào)CMS膜的(de)轉化(huà)過程中，糾纏在一(yī)起的(de)聚酰亞胺段在高(gāo)溫下(xià)發生(shēng)芳香化(huà)并最終破碎，産生&(shēng)較短(duǎn)的(de)剛性碳鏈。這(zhè)種碳鏈是(shì)進一(yī)步組織成複雜(zá)形态的(de)構件(jiàn)，包括無序連續相(xiàng)中的(de)分(fēn₹)布式分(fēn)子(zǐ)篩Langmuir結構域（圖1a）。所形成的(de)碳鏈的(de)性質和(hé)形↓狀、它們在無序 "C "相(xiàng)中的(de)包裝以及獨特的(de)分(fēn)子(zǐ)篩 &quoαt;L "域影(yǐng)響著(zhe)這(zhè)種CMS膜的(de)詳細結構和(hé)分(fēn)離(lí)性能(néng)。因此，對(duì)聚酰亞胺前體(tǐ)進行(x∞íng)合理(lǐ)的(de)分(fēn)子(zǐ)設計(jì)，以産生(shēng)有(yǒu)序的(de)碳鏈，同時(shí)操Ω縱碳鏈的(de)包裝，對(duì)于制(zhì)備先進的(de)CMS膜至關重要(yào)。

基于此，佐治亞理(lǐ)工(gōng)學院William Koros教授課題組報(bào)告了(le)'從(cóng)一(yī)種定制(zhì)的(de)具有(yǒu)扭結結構的(de)可(kě)交聯共聚聚酰亞胺中提取的(de)結構工(¶gōng)程化(huà)的(de)CMS膜。作(zuò)者證明(míng)，結合扭結骨架和(hé)可(kě)交聯骨架這(zhè)兩個(gè)特點來(lái)設計(jì)聚酰亞胺前體(tǐ)（φ圖 1b），同時(shí)控制(zhì)熱(rè)解條件(jiàn)，可(kě)以創造出具有(yǒu)更好(hǎo)氣體(tǐ)分(fēn)離(lí)性能(néng)的(de)CMS膜。結果表明≈(míng)，CMS膜為(wèi)各種具有(yǒu)挑戰性的(de)氣體(tǐ)分(fēn)離(lí)提供了(le)一(yī)個(gè)多(duō)Ω功能(néng)的(de)平台。由此産生(shēng)的(de)CMS膜的(de)氣體(tǐ)傳輸特性被↑解釋為(wèi)反映分(fēn)子(zǐ)篩Langmuir域和(hé)無序連續相(xiàng)的(de)模型，從(cóng)而提供了(le)對(duì)從(cóng)可(kě)交聯≠聚酰亞胺前體(tǐ)到(dào)最終CMS膜的(de)結構演變的(de)洞察力。這(zhè)種CMS膜在環境友(yǒu)好(hǎo)型氣體(tǐ)分(fēn)離©(lí)方面很(hěn)有(yǒu)前景。相(xiàng)關成果以“Advanced carbon molecular sieve membranes derived fro₩m molecularly engineered cross-linkable copolyimide for  gas separations”為(wèi)題發表在《Nature Materials》上(shàng)。第一(yī)作(zuò)者為(wèi)←Zhongyun Liu。

圖 1：用(yòng)于 CMS 膜的(de)具有(yǒu)扭結結構的(de)可(kě)交聯共聚酰亞胺前體(tǐ)的Ω(de)制(zhì)備和(hé)表征

總結與展望：對(duì)CMS前體(tǐ)進行(xíng)分(fēn)子(zǐ)工(gōng)程設₩計(jì)可(kě)以優化(huà)CMS膜的(de)結構和(hé)分(fēn)離(lí)性能(néng)。除了(le)本研究中開(kāi)發的(de)基于6FDA的(de)共聚酰亞胺系$列外(wài)，在這(zhè)裡(lǐ)提出的(de)概念的(de)啓發下(xià)，可(kě)以利用(yòng)合适的(de)扭結結構和(hé)可(kě)交聯基團¥創建各種CMS聚酰亞胺前體(tǐ)系列。更廣泛地(dì)說(shuō)，這(zhè)個(gè)概念和(hé)預交聯策略也(yě)可(kě)以擴展到(dεào)其他(tā)重要(yào)的(de)CMS前體(tǐ)，如(rú)基于PIM的(de)前體(tǐ)，以創造新的(de)高(gāo)級CMS膜系列。此外(φwài)，利用(yòng)所開(kāi)發的(de)聚酰亞胺前體(tǐ)制(zhì)造具有(yǒu)超薄表←皮層的(de)CMS中空(kōng)纖維是(shì)實際應用(yòng)所需要(yào)的(de)，這(zhè)可(kě)以通(tōng)過雙層紡絲技(jì)術(s∏hù)實現(xiàn)。最後，這(zhè)裡(lǐ)描述的(de)建模框架是(shì)理(lǐ)解和(hé)最終≈設計(jì)前體(tǐ)結構和(hé)性能(néng)的(de)寶貴工(gōng)具，對(duì)于對(duì)C§MS膜感興趣的(de)先進分(fēn)離(lí)團體(tǐ)來(lái)說(shuō)是(shì)廣泛有(yǒu)用(yòng)的(de)。

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