據(jù)高分子科學(xué)前沿微信公眾平臺2019年6月17日訊 在工業(yè)領(lǐng)域，混合氣體的膜分離技術(shù)自上世紀(jì)80年代末問世以來，就受到了學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。其中，聚合物膜材料由于其易于加工始終引領(lǐng)著工業(yè)膜的市場。盡管如此，眾所周知，聚合物薄膜受到滲透性和選擇性兩種參數(shù)的相互制約，氣體分離性能存在上限，即羅賓遜上限（Robeson upper bound）。目前，研究者正在致力于制備分離速度快，效率高的薄膜，并進(jìn)一步逼近甚至突破羅賓遜上限。其中，熱重排聚合物膜展現(xiàn)出了超越羅賓遜上限的性能，但其制備過程中的退火工藝將增加膜的脆性。此外，自具微孔聚合物（PIMs）同樣擁有優(yōu)異的性能，但同樣存在容易老化的問題。無機(jī)材料，如金屬有機(jī)框架（metal-organic frameworks）雖然能選擇性地分離混合氣體，但自身難以成膜不易加工。由于MOF與聚合物基體之間相容性差，利用聚合物/MOF制備的復(fù)合薄膜中MOF的填充量往往低于50 wt%，很難充分發(fā)揮出填料MOF的優(yōu)異性能，且復(fù)合薄膜本身大量相界面的存在將作為缺陷抑制原有的優(yōu)異的氣體分離性能。
基于此背景，近日，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Jeffrey J. Urban教授團(tuán)隊在國際著名刊物《Advanced Functional Materials》上發(fā)表了名為“Hydrogen-Bonded Polyimide/Metal-Organic Framework Hybrid Membranes for Ultrafast Separations of Multiple Gas Pairs”的論文。研究者構(gòu)筑了含Zr的MOF/聚酰亞胺復(fù)合薄膜，如圖1所示。由于基體和填料間存在氫鍵相互作用，MOF的填充量較已報道體系更高。當(dāng)MOF的填充量達(dá)55 wt%時，CO2和H2的滲透率分別為2494和2932Barrers，CO2/CH4、H2/CH4和H2/N2的選擇性分別可達(dá)29.3，34.4和23.8。此外，復(fù)合薄膜制備工藝較溫和，同時在高于羅賓遜上限的條件下可持續(xù)工作超過5300小時，對比于已報道或商用體系具有不可比擬的優(yōu)勢。
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