國家納米科學中心&天津大學Adv. Funct. Mater.:控制共軛微孔聚合物膜在高效有機溶劑納濾中的選擇性

【引言】

有機溶劑納濾（OSN）因能夠以低能耗有效地分離200至1000g mol^-1范圍內的小分子而引起了人們的廣泛關注。與其他膜分離過程一樣，OSN過程也存在滲透性和選擇性之間的矛盾。一方面，傳統聚合物膜的溶劑滲透性通常較低，因為聚合物分離層的致密結構沒有永久性微孔，而另一方面，精細控制分子分離的膜選擇性是非常具有挑戰性的。為了提高溶劑滲透性，將多孔組分與致密聚合物復合是最直接的策略，另一種方法是采用帶有固有微孔的剛性聚合物。此外，超薄自支撐OSN薄膜已經由微孔聚合物制備得到，但是由于線性聚合物鏈的柔性會導致結構松弛。截止目前，盡管在溶劑滲透性方面取得了令人鼓舞的進步和改善，OSN膜中的選擇性控制仍然極具挑戰性并且很少被報道。在水溶液中，通過控制氧化石墨烯膜的孔徑（即相鄰GO納米片之間的層間距）已經實現了離子或分子的成功篩分。相比之下，OSN膜中的孔徑調整非常有限，因此，設計和制造具有高溶劑滲透性和可控選擇性的過濾膜對于利用OSN工藝實現精細分子分離是至關重要的。

【成果簡介】

近日，國家納米科學中心唐智勇研究員、李連山研究員與天津大學盧小泉教授合作，報道了含有噻吩的共軛微孔聚合物（TTB-CMP）膜，其具有高溶劑滲透性和可調孔徑。研究表明，與僅含有惰性C-C和C-H鍵的共軛微孔聚合物不同，TTB-CMP膜中噻吩單元的存在使得通過后修飾實現精細孔徑調節成為可能，因此，膜的截留分子量可以有效地調節而滲透性沒有顯著的衰減。該成果以題為" Controlling the Selectivity of Conjugated Microporous Polymer Membrane for Efficient Organic Solvent Nanofiltration"發表在國際著名期刊Adv. Funct. Mater上。

【圖文導讀】

圖1 通過后修飾實現孔徑調節來控制TTB-CMP膜的截留分子量的示意圖

圖2 SEM、AFM圖像和TTB-CMP膜的楊氏模量測試

(a) 具有皺紋表面的大面積膜的SEM圖像；

(b) 表面放大后膜的SEM圖像及其橫截面（插圖）；

(c) TTB-CMP 膜的AFM圖像；

(d) TTB-CMP 膜的高度輪廓；

(e) 形成皺紋的AFM圖像；

(f) 通過PFQNM方法測試TTB-CMP的楊氏模量。

圖3 TTB-CMP膜和TTB-CMPO膜的表征

(a, b) TTB-CMP膜（藍線）和TTB-CMPO膜（紅線）的FT-IR光譜；

(c) TTB單體的XPS光譜；

(d) TTB-CMP膜的XPS光譜；

(e) TTB-CMPO膜的XPS光譜。

圖4 TTB-CMP和TTB-CMPO的氮氣吸附表征

(a) TTB-CMP在77K下收集N₂吸附等溫線；

(b) TTB-CMPO在77K下收集N₂吸附等溫線；

(c) TTB-CMP的孔徑分布；

(d) TTB-CMPO的孔徑分布。

圖5 TTB-CMP和TTB-CMPO膜的納濾性能

(a) TTB-CMP（黑線）和TTB-CMPO（紅線）膜的截留行為與乙醇中染料的分子量的關系；

(b) PPh-IX在乙醇中的紫外-可見光譜；

(c) 溶劑滲透率與溶劑粘度的關系圖；

(d) TTB-CMP（黑線）和TTB-CMPO（紅線）膜的隨時間變化的甲醇滲透圖。

【小結】

本文中，作者通過簡單的電化學聚合成功地制備了具有超快有機溶劑滲透性和埃量級可調孔徑的大面積均勻TTB-CMP膜，這種孔徑可調性極大地區分了TTB-CMP膜與先前報道的聚合物膜。研究發現，原始的TTB-CMP膜顯示出高的甲醇滲透率為32 L m^-2h^-1bar^-1，截留分子量為800g mol^-1，在后氧化形成TTB-CMPO膜后，甲醇的滲透性仍然高達21 L m^-2h^-1 bar^-1，同時截留分子量急劇減少為500 g mol^-1。該項工作將激發新一代具有可精確控制孔徑的CMP膜的合成以及用于超快速和截留分子量可調的分離（例如氣體分離、有機溶劑納濾、水凈化、脫鹽以及烴分離）。

文獻鏈接：Controlling the Selectivity of Conjugated Microporous Polymer Membrane for Efficient Organic Solvent Nanofiltration?(Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201900134)

本文由biotech供稿，材料牛審核整理。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿及內容合作可加編輯微信：cailiaorenkefu。?