北理工馮霄特別研究員Angew. Chem. Int. Ed.：電聚合制備聚噻吩H2分離薄膜

【引言】

氫能有望作為新型清潔能源解決日益嚴重的能源危機，目前工業上氫的分離、提純消耗了極大能量，導致高純度氫氣成本難以下降。膜分離技術代替傳統工業分離技術可大幅節約能耗，且具有設備簡單等優點。為了滿足純度、生產效率和能耗的要求，選擇性、滲透性和加工性是評價分離膜性能的關鍵因素。傳統的聚合物膜由于成本低、穩定性高和容易加工而在市場上占主要地位，但它們不可避免地存在滲透性和選擇性之間的博弈效應。分子篩、金屬有機框架材料（MOFs）、共價有機框架材料（COFs）等晶態多孔材料通常被引入到聚合物中形成混合基質膜或者被沉積在多孔基底上用于提升氣體分離性能，但是，相分離、難以大規模無缺陷制備薄膜等缺點極大地阻礙了多孔材料進一步工業應用。除此之外，自具微孔聚合物(PIMs)近年來取得了巨大進展，但它們面臨著耐老化性差、易塑化、選擇性較低等問題。

【成果簡介】

北京理工大學的馮霄特別研究員（通訊作者）在Angew. Chem. Int. Ed.上報道了通過電聚合法制備柔性自支撐、分子篩分的聚噻吩薄膜。該團隊通過改變單體活性聚合位點數目和烷基鏈長度合成了多種薄膜，并研究了它們的氣體分離性能，對H₂/CO₂、H₂/N₂ 和H₂/CH₄的分離性能均突破了聚合物的Robeson上限。良好的化學穩定性、熱穩定性及長期穩定性表明它們具有一定的工業化應用潛力。這種制備簡便、拓展性及可控性強的策略給設計其它高性能聚合物氣體分離膜提供了新思路。

【圖文導讀】

Scheme 1. a) 剛柔并濟（SAR）的策略；b) 電聚合法制備薄膜的示意圖

Scheme 2. 電聚合反應

Figure 1. a) 自支撐共聚薄膜照片；b) 共聚膜的單組分氣體滲透率；c-e)共聚膜和已報道聚合物膜分離性能對比。

Figure 2.a) P33DT-ThC4的長循環穩定性；b) 不同薄膜的氣體溶解度；c) 不同薄膜的氣體擴散系數

【小結】

研究團隊在聚噻吩基剛性多孔骨架中引入烷基鏈，首次通過操作簡便的電聚合法制備了均勻、自支撐的氣體分子篩分膜。它們具有優異的氫氣分離性能，并很好地平衡了加工性、滲透性和選擇性。這項成果有望為高性能氣體分離膜提供新的制備方法。

導師介紹：

馮霄，于2008和2013年于北京理工大學材料學院取得本科與博士學位，在攻讀博士期間以聯合培養博士研究生身份留學于日本國家自然科學研究機構—分子科學研究所。2013年7月就職于北京理工大學化學學院（現化學與化工學院）。主要從事關于共價有機框架材料等以共價有機框架為代表的晶態多孔材料構效關系研究以及膜分離相關研究。以第一或通訊作者發表包括5篇J. Am. Chem. Soc.、6篇Angew. Chem. Int. Ed.、2篇Adv. Mater.等29篇文章。

文獻鏈接：Electropolymerization of molecular‐sieving polythiophene membranes for H₂ separation

（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201904385）

本文由kv1004供稿。