國家納米科學中心Nat. Chem.：具有剛性骨架共軛高分子的自組裝微孔薄膜用于超快有機溶劑納米過濾

【引言】

分離技術是現代工業中最重要的技術之一，常規分離技術如蒸餾、蒸發、精餾等都設計高能耗的過程，而膜分離是近年來快速發展的一種低能耗、高效的分離方法。膜分離過程能夠通過在選擇性膜兩側施加壓力差，使得待分離物質選擇性通過膜從而實現分離，其中實現高效膜分離的關鍵在于高選擇性膜材料。目前膜分離技術在水純化和海水脫鹽等方面已經實現應用，然而其在有機體系的應用相對滯后，主要的原因有兩個：首先是多數傳統的一維聚合物材料在有機溶液中不穩定；其次是傳統一維聚合物薄膜沒有永久性孔，降低了分離效率。

【成果簡介】

近日，國家納米科學中心唐智勇研究員和李連山副研究員合作，發展了一種在SiO₂表面引發表面聚合反應的方法，并通過精細控制表面修飾及聚合反應條件，成功地獲得了平方厘米級的超濾膜多孔支撐層。分子截留結果表明，該微孔薄膜不僅具有優異的穩定性，其過濾速度還比目前商用的聚合物薄膜高出兩個數量級。該成果以題為"Microporous membranes comprising conjugated polymers with rigid backbones enable ultrafast organic-solvent nanofiltration"發表在國際著名期刊Nature Chemistry上。

【圖文導讀】

圖1 全共軛CMP膜的制備和機械性質表征

(a) 在溴苯官能化的Si/SiO₂襯底上CMP膜的表面引發聚合示意圖；

(b) 轉移到PAN基底上約42納米厚的p-CMP膜的照片；

(c) 轉移到硅基底上CMP膜的大面積表面和橫截面（插圖）的SEM圖像；

(d) 在硅晶片上p-CMP膜的AFM圖像；

(e) 在硅晶片上p-CMP膜的AFM高度輪廓；

(f) CMP聚合物與聚酰胺聚合物的化學結構剛性對比；

(g) p-CMP膜轉移到彈性基底上并施加壓縮應力時皺紋形成的AFM圖像；

(h) 聚酰胺聚合物膜轉移到彈性基底上并施加壓縮應力時皺紋形成的AFM圖像；

(i) p-CMP膜的楊氏模量；

(j) 聚酰胺聚合物膜的楊氏模量。

圖2 p-CMP、m-CMP 和o-CMP 膜的納濾性能

(a) CMP膜對各種不同分子量染料的排阻行為；

(b) PPh-IX染料在甲醇中的紫外可見吸收光譜以評估p-CMP膜的分離性能；

(c) 通過不同的CMP膜時溶劑滲透性與溶劑年度的關系曲線;

(d) 對于p-CMP，m-CMP和o-CMP膜，甲醇的滲透率與倒膜厚度的關系；

(e) 對于p-CMP膜，己烷、甲醇和乙醇隨時間的滲透曲線；

(f) p-CM-OH經不同化學后修飾后的排阻行為。

圖3?無定形聚合物模型的結構分析

(a) p-CMP膜中互連（綠色）和斷開（紅色）空隙圖像；

(b) m-CMP 膜中互連（綠色）和斷開（紅色）空隙圖像；

(c) o-CMP 膜中互連（綠色）和斷開（紅色）空隙圖像;

(d) 聚酰胺聚合物膜中互連（綠色）和斷開（紅色）空隙圖像；

(e) p-CMP膜中空隙相對于孔徑著色圖像；

(f) m-CMP膜中空隙相對于孔徑著色圖像;

(g) o-CMP膜中空隙相對于孔徑著色圖像。

?【小結】

本文報道了通過表面聚合反應獲得具有剛性骨架的自組裝多孔聚合物膜，研究發現該聚合物膜能夠在有機溶劑體系中實現高溶劑通量以及高選擇性的過濾。相對于傳統的一維柔性聚合物材料，該過濾膜具有很高的熱穩定性以及豐富的自組裝微孔，還可以通過化學后修飾手段對孔結構或尺寸進行調控。因此，這類材料具有永久性微孔結構及高孔隙率，有望成為新一代高效膜分離材料。

文獻鏈接：Microporous membranes comprising conjugated polymers with rigid backbones enable ultrafast organic-solvent nanofiltration?(Nat. Chem. 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0093-9)

本文由材料人高分子和生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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