天津大学吴洪教授、姜忠义教授JMCA：原位编织微孔高分子膜用于高效CO2捕集

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开发高效CO₂捕集技术是实现温室气体减排和能源气体净化的重要途径。膜技术以其操作温和、能耗低、适应性强等优势已成为最具发展前景的 CO₂ 捕集技术之一。微孔有机高分子膜材料结合了传统有机高分子和无机分子筛膜材料的优点，具有发达孔道以及丰富的化学亲和位点，有望成为CO₂分离的新一代材料。近年来，为实现CO₂的高效分离，大量研究工作集中于对微孔有机高分子膜内孔道的物理化学微环境的调控。

针对上述研究背景，团队提出一种原位编织(in-situ knitting)策略，在聚苯醚/苯甲醇(PPO/BnOH)的复合膜内构筑“尺寸可控，活性适中”的微孔网络。通过Friedel-Crafts反应，使用二甲氧基甲烷交联剂，将聚苯醚链上与苯甲醇分子内的相邻的芳香基团交联。高密度的交联键桥有效抑制了相邻的高分子链段的致密堆积，形成高度贯通的微孔网络，其BET比表面积可达538 m²/g。同时，苯甲醇单体被编织到孔道骨架内部，极性羟基基团被嵌入孔道壁面，提高孔道对CO₂亲和性并引入分子间氢键调控孔道尺寸。通过调控苯甲醇单体含量与交联密度，膜内孔道的物理化学微环境得以协同强化。在优化条件下，所制备的K-PPO/BnOH微孔高分子膜的CO₂/CH₄与CO₂/N₂分离性能远超传统高分子膜的2008年upper-bound上限，表现出较高的CO₂ 渗透通量（4651 barrer）及CO₂/CH₄选择性（27）。此外，高密度的交联结构还提高了膜的结构稳定性，呈现出良好的抗塑化和抗老化性能。这种原位编织微孔网络的设计及应用为微孔有机高分子膜的研究探索了新路径。 

图1. a) 原位编织K-PPO/BnOH微孔高分子膜示意图；b) PPO/BnOH膜TEM图；c) K-PPO/BnOH膜TEM图

图2. 交联密度与BnOH含量对膜内孔道调控作用示意图。a) 交联键含量对膜的N₂吸附影响；b) BnOH含量对膜的CO₂吸附影响，插图:N₂吸附；c) 由N₂吸附与CO₂吸附计算得到的膜孔径分布。

图3. a) 交联密度与苯甲醇含量对膜CO₂/CH₄和CO₂/N₂分离性能的影响；b) 膜的扩散系数与扩散选择性；c) 膜的溶解系数与溶解选择性；d) 在 Robeson 上限图中膜的 CO₂/CH₄ 分离性能；e) 混合进料气压力对膜CO₂/CH₄分离性能的影响；f) 老化时间对膜渗透性能的影响。

该研究成果近日发表在Journal of Materials Chemistry A, 2020, DOI: 10.1039/D0TA08453K上（In situ knitted microporous polymer membranes for efficient CO₂ capture）。论文第一作者为天津大学化工学院博士生吴英震。通讯作者为天津大学吴洪教授和姜忠义教授。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D0TA08453K

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