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天津科大程博聞、楊磊鑫、楊碩 J. Membrane Sci.:原子水平鹵代PIM-PI氣體分離膜結(jié)構(gòu)精密調(diào)控及“構(gòu)效關(guān)系”研究
2023-12-08  來源:高分子科技

  天津科技大學(xué)、生物源纖維制造技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的程博聞教授團(tuán)隊(duì)、楊磊鑫、楊碩副教授近期于Journal of Membrane Science期刊(2024,692122317)發(fā)表題目為Fine-tuning gas separation performance of intrinsic microporous polyimide by the regulation of atomic-level halogen substitution的文章。該文章第一作者為趙偉博士,通訊作者為楊磊鑫、楊碩、程博聞



研究亮點(diǎn)


  • 成功制備含鹵素基團(tuán)(F,Cl,Br)的PIM-PIs。
  • 原子水平的鹵素可精密調(diào)控氣體分離膜結(jié)構(gòu)及性能。
  • F原子在BFPI中的填充作用導(dǎo)致其氣體滲透性能略有下降。
  • 與BFPI(F)相比,BBPI(Br)的CO2的氣體滲透率增加了100%。
  • BBPI中的Br原子限制了鏈段的致密堆積并導(dǎo)致其氣體滲透率的提升。


  聚合物的分子結(jié)構(gòu)對(duì)于膜分離性能的影響至關(guān)重要。然而,聚合物分子結(jié)構(gòu)與氣體分離性間的“構(gòu)效關(guān)系”尚不明晰。在此,他們將鹵素原子(F,Cl,Br)精確地引入自聚微孔聚酰亞胺(PIM-PIs)中,用以精確調(diào)節(jié)其鏈間空腔并闡明其結(jié)構(gòu)與性能間的“構(gòu)效關(guān)系”。在BAPI(H)的基礎(chǔ)上,在氨基鄰位精確設(shè)計(jì)鹵素原子,合成了三種PIM-PI,分別為BFPI(F),BCPI(Cl)和BBPI(Br)。結(jié)果表明,原子水平鹵素的引入導(dǎo)致聚合物鏈的規(guī)則堆積和自由體積分?jǐn)?shù)(FFV)的微調(diào)(圖1)。具體來說,隨著鹵素原子范德華體積的增加,含鹵素的PIM-PIs的氣體滲透性能呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),例如,與BFPI相比,BCPI和BBPI的CO2滲透性能分別提升了48%和100%(圖2)。結(jié)合相關(guān)的表征,他們認(rèn)為范德華體積小的鹵素原子的引入(F,Cl)對(duì)鏈堆積的填充作用可以相對(duì)提高氣體選擇性;當(dāng)引入的鹵素原子(Br)的范德華體積足夠大時(shí),其抑制膜的致密化并形成更多的微孔,最終導(dǎo)致其滲透性能顯著增加。從分子設(shè)計(jì)到聚合物鏈的微結(jié)構(gòu)再到聚合物的氣體分離性能(圖3),該工作有力的闡明了原子級(jí)別鹵素的引入對(duì)氣體分離性能的影響,同時(shí),也為先進(jìn)的氣體分離膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新思路。

 

圖1. PIM-PIs的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、FFV模擬計(jì)算及其氣體分離性能和潛在機(jī)理


 圖2. 四種PIM-PI的氣體滲透性能:(a)H2、CO2,(b)N2、CH4,(c)滲透性能與動(dòng)力學(xué)直徑,(d)CO2/CH4的氣體分離性能


 

圖3. 原子級(jí)別鹵素微調(diào)自聚微孔型聚酰亞胺的結(jié)構(gòu)單元、微觀結(jié)構(gòu)及其氣體分離性能

 

  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.memsci.2023.122317


第一作者:


趙偉 博士研究生

天津科技大學(xué)在讀博士研究生,長期從事氣體分離膜的研究工作,主要通過調(diào)控聚酰亞胺結(jié)構(gòu),探究其結(jié)構(gòu)-性能的“構(gòu)效關(guān)系”,在J. Membr. Sci.發(fā)表數(shù)篇論文,氣體分離方向的國家自然科學(xué)基金(面上)項(xiàng)目的主要參與者。


通訊作者:


楊磊鑫 副教授 (Leixinyang@tust.edu.cn)

天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,副教授。長期從事高性能氣體分離膜、固態(tài)電解質(zhì)/隔膜及負(fù)極保護(hù)層的相關(guān)工作。迄今為止以第一作者或通訊作者在Chem. Soc. Rev., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, J. Membr. Sci., J. Mater. Chem. A等期刊發(fā)表多篇論文,主持國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)面上項(xiàng)目、博士后面上項(xiàng)目等6項(xiàng)縱向科研項(xiàng)目,參與國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等多項(xiàng)項(xiàng)目。



楊碩 副教授 (shuoyang1018@tust.edu.cn)

天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,副教授。主要從事溶解漿及人造纖維、生物質(zhì)維納纖維及其功能材料、高性能纖維紙基功能材料的研究。迄今為止以第一作者或通訊作者在Chem. Eng. J., Bioresource Technol., J. Membr. Sci., Carbohyd. Polym., Sep. Purif. Technol., ACS Appl. Mater. Inter.等期刊發(fā)表多篇論文,主持國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、企業(yè)合作項(xiàng)目6項(xiàng),參加中央軍委科技委前沿創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、揭榜掛帥項(xiàng)目、戰(zhàn)略咨詢項(xiàng)目、重大橫向項(xiàng)目等10余項(xiàng),聯(lián)合企業(yè)開發(fā)了多種特種紙產(chǎn)品,部分已進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。



程博聞 教授 (bowenc17@tust.edu.cn)

天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,教授;生物源纖維制造技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、中國紡織工程學(xué)會(huì)副理事長、中國纖維素行業(yè)協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì)副主任、《紡織學(xué)報(bào)》編輯委員會(huì)副主任、天津泰達(dá)新材料研究院院長;長期從事輕紡新材料的研究與開發(fā)工作,承擔(dān)完成了國家科技支撐、973、863、國家自然基金、中央軍委科技委、國防科工局項(xiàng)目和重大橫向項(xiàng)目40余項(xiàng);主編教材4部,參編教材或著作5部;發(fā)表學(xué)術(shù)論文400余篇,授權(quán)發(fā)明專利120余項(xiàng)。

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