通过克莱森热重排和氰基诱导的热交联制备用于气体分离的高性能混合基质膜

《Journal of Membrane Science》：Preparation of High-Performance Mixed Matrix Membranes for Gas Separation via Claisen Thermal Rearrangement and Cyano-Induced Thermal Crosslinking

　　

黄永年|何春菊

中国上海东华大学材料科学与工程学院先进纤维材料国家重点实验室，邮编201620

摘要

尽管混合基质膜（MMMs）被广泛认为是一种能够克服渗透性与选择性之间矛盾的有前景的解决方案，但其实际应用往往受到聚合物基质与无机填料之间较差界面相容性的严重限制。为了解决这一关键问题，研究人员将ZIF-8-CN纳米颗粒引入到含有烯丙基和氰基官能团的聚酰亚胺中，开发出一种协同的原位热工程策略。通过Claisen热重排和氰基诱导的热交联同时发生，膜微观结构得到了协同重构，由此形成的共价三嗪网络和刚性苯并噁唑结构共同消除了界面缺陷，并生成了快速的气体传输通道。因此，优化后的膜表现出卓越的分离性能：CO₂的渗透率为914.38 Barrer，CO₂/CH₄的理想选择性为37.15，远超2008年Robeson提出的上限；同时该膜还具备出色的CO₂塑性抵抗能力、长期运行稳定性以及抗物理老化性能。此外，该膜对CO₂/CH₄混合气体的分离效率同样优异，也超过了2018年提出的上限。这项工作为克服MMMs中持续的界面瓶颈提供了关键范例，为开发下一代用于可持续天然气净化的材料提供了一种可扩展且基于科学原理的策略。

章节摘录

引言

基于膜的气体分离技术在CO₂捕获、天然气净化和工业气体分离等领域展现出广泛的应用前景，这得益于它们结构简单、能耗低、操作条件温和且无相变等优点1, 2, 3, 4, 5。在各种膜材料中，聚合物膜因具有优异的加工性能和大规模应用潜力而占据主导地位；

材料

2,4,6-三甲基-1,3-苯二胺（DAM）、2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷（6FAP）和4,4'-(六氟异丙叉)二苯二甲酸酐（6FDA）均购自上海Titan Scientific有限公司。所有二胺在使用前均在120 °C下真空干燥24小时；二酐在使用前通过140 °C下的真空升华进行纯化。六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂?6H₂O）、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）也用于实验。

纳米颗粒的表征

图1(a)展示了ZIF-8和氰基功能化ZIF-8-CN纳米颗粒的合成过程及相应的扫描电子显微镜（SEM）图像。ZIF-8是通过室温溶液混合法合成的，仅使用2-甲基咪唑作为有机连接剂；而ZIF-8-CN则是通过混合配体法制备的，即部分用4,5-二氰基咪唑替代2-甲基咪唑，同时使用三乙胺作为脱质子剂以促进快速配位

结论

CRediT作者贡献声明

何春菊：负责撰写、审稿与编辑、实验设计、资金申请。黄永年：负责初稿撰写、数据可视化、结果验证、实验研究及概念构思

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。