国家纳米科学中心唐智勇研究员课题组自组装多孔薄膜用于高效有机小分子分离的研究取得重要进展

高分子科技

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近日，国家纳米科学中心和中国科学院纳米科学卓越中心唐智勇研究员和李连山副研究员在具有刚性分子骨架的自组装多孔薄膜用于高效有机小分子分离的研究中取得重要进展。相关研究成果“Microporous membranes comprising conjugated polymers with rigid backbones enable ultrafast organic-solvent nanofiltration”于2018年7月23日在线发表在《自然·化学》（Nature Chemistry）杂志 (Nat. Chem. 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0093-9)。

当今工业过程中涉及大量的分离、纯化或者浓缩过程,因此分离技术成为现代工业中最重要的技术之一。目前，分离纯化过程主要依赖于高能耗的基于热的过程，例如蒸馏、蒸发、精馏等。据统计，化工工业中用于分离和纯化的能源消耗占据了全部能源消耗的一半，其中80%被蒸馏过程消耗。因此，开发低能耗、高效的分离纯化技术将极大的降低能源消耗。

膜分离过程是一种在选择性膜两侧施加压力差，使得待分离物质选择性通过膜从而实现分离的过程，这一过程的核心技术是高效、高选择性膜材料。这一技术在水纯化或者海水脱盐方面已经有了很成熟的应用，利用聚酰胺等聚合物材料的薄膜实现杂质或离子去除。然而，其在有机体系的应用相对滞后，这是因为大部分传统的一维聚合物材料在有机溶液中不稳定。其次，传统一维聚合物薄膜没有永久性孔，导致分离速度非常低下。

为了同时解决高稳定性、高溶剂通量及高选择性的问题，唐智勇课题组选择了具有刚性骨架的自组装多孔聚合物材料。

这种材料相比于传统的一维柔性聚合物材料有非常大的优势：

第一，三维全共轭结构使得这类材料在任何溶剂中不溶，且具有很高的热稳定性；
第二，刚性骨架支撑起丰富的自组装微孔，有利于溶剂的传输；
最后，可通过化学手段对孔结构或尺寸进行调控。

然而其三维刚性结构在解决了结构稳定性的同时，其不溶的特性也同时带来了材料成膜困难的问题。因此，如何获得高质量的薄膜是解决这类材料在膜分离领域应用的关键一步。受一维聚合物表面聚合的启发，该课题组在SiO2表面修饰初始聚合位点后进行表面聚合反应，通过精细控制表面修饰及聚合反应条件，获得了平方厘米级的无缺陷薄膜并成功转移至超滤膜多孔支撑层。分子截留测试表明，其对有机溶剂具有极高的稳定性，在同等选择性基础上，过滤速度较目前商用的一维柔性聚合物薄膜高出两个数量级。这一结果主要得益于这类材料永久性微孔结构及高孔隙率，使其有望成为新一代高效膜分离材料。