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KAUST赖志平教授团队《ACS Nano》:共轭微孔聚合物膜,实现亚埃级别的精准筛分
高分子科学前沿 / 时间:2021-07-03 22:48:53

新材料在线7月2日讯:离子筛分膜能够实现离子、分子的精准分离,在能源、淡水、化工、制药等领域发挥着不可替代的重要作用。聚合物多孔膜凭借材料成本低、容易大规模制备等优势,在学术界和工业界获得了广泛青睐。然而,与COFs, MOFs等晶体材料所制备的膜相比, 传统聚合物膜的孔径尺寸不一、孔径分布较宽,因而影响了其选择性。提高多孔聚合物膜的孔径均一性是实现精准筛分的关键。然而,为实现这一目标,膜材料的选择和膜制备方法的优化都极具挑战性。

近期,沙特阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)赖志平教授团队采用电聚合策略(electro-polymerization),利用咔唑类共轭微孔聚合物(CMPs)制备了具有高度孔径均一性的新型离子筛分膜,对离子、分子实现亚埃级别的精准筛分。该工作近日以“Precise Sub-Angstrom Ion Separation Using Conjugated Microporous Polymer Membranes” 为题发表在《ACS Nano》杂志上。据了解,CMPs独特的共轭刚性结构为膜提供了稳固的内在微孔;精心选择的CMP单体和优化设计的电聚合策略使得反应产物均一,进而确保了微孔的尺寸一致性;膜厚度的精确控制在降低传质阻力的同时兼顾了膜的选择性。

不同于传统刚性高分子膜机械强度差等特点,该工作继承了课题组前期研究基础(Nature communications 11.1 (2020): 1-9.),利用多孔、导电的碳纳米管(CNTs)薄膜作为工作电极,在膜的制备过程中,CMPs聚合物薄膜直接生长在CNTs中间支撑层上,形成完全嵌入式的复合结构 (图1)。复合膜的厚度和表面形貌可通过电聚合参数的调整实现预期调控。优化后的膜具有809 m2/g的BET比表面积和高度均一的孔径(8.4 ?)。其孔结构特点可以比肩COFs、MOFs等晶体材料膜。同时,得益于其复合结构,CMPs膜的平均杨氏模量达到7 GPa, 比传统聚酰胺膜约高出20倍。优异的机械性能使其能够满足各种膜过程的使用要求。

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图1. CMP膜的制备与形貌表征。

该CMPs离子筛分膜在压力、浓度和电场驱动三种膜过程下均表现极高的选择性。以压力驱动膜过程为例, 膜的10%截留水合直径(HDRO)和90%截留水合直径(HDCO)分别为为9.0 和9.5 ?,两者差距仅为0.5 ?, 筛分精度达到亚埃级别。分子结构模拟和动力学模拟进一步表明膜的选择性主要来自于尺寸筛分。

该工作的另外一大亮点在于,不同于晶体材料膜或2D纳米片层膜,CMPs膜结构连续,不存在晶粒边界等带来的缺陷。同时,CMPs膜无需热处理、有机溶剂激活等,避免了后处理带来的问题。并且,电聚合制备的CMPs膜,聚合物和薄膜同步生成,无需对聚合物二次处理成膜。CMPs丰富的单体和多样的制备调控手段为该类聚合物在膜领域的应用提供了广阔天地。


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