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气体分离膜因其能源消耗低、运行成本低,并且能够最大限度减少二次污染,在化学工业应用中发挥着重要的作用。因此,探索先进的膜材料对于推动气体分离膜技术的进步具有至关重要的意义。
将两种或两种以上的材料结合起来构建具有异质孔结构的膜,是提高分离性能的有效策略。常见的制备异质结构膜的方法是使用聚合物和多孔填料制备成混合基质膜,或采用两种不同的多孔填料来构建相对有序的异质结构膜。然而,这些制备技术可能会导致相分离、晶界缺陷等问题,进而影响膜的性能和耐用性。多孔有机笼(POCs)是由离散分子组成的新兴多孔材料,具有固有空腔,并且倾向于窗口对窗口地堆积排列方式,从而形成三维连通的孔隙网络。这种离散的多孔笼有着模块化的特点,能像“乐高”积木一样通过分子间的作用力来“混合和匹配”,创造出不同的共晶结构。 近日,浙江大学的刘明研究员团队采用了共晶策略,制备了一系列具有不同腔体大小(或包含荧光特性的)、具有良好结晶性的亚胺笼气体分离膜。通过引入高度规整、交替排列的小孔和大孔结构,解决了气体分离膜中渗透性和选择性之间的制约平衡问题。另外,共晶策略也可应用于大环分子体系中,制备大环分子笼的共晶膜并同样展现了良好的气体分离性能。 共晶膜展现出了较高的H2渗透量和H2/CO2选择性,整体性能超过了2008年的罗伯森上限,表明打破了渗透量与选择性之间的制约平衡。由于分子笼通过手性识别作用,在对应手性识别作用力的驱动下,形成了更紧密的堆积结构。因此表现出了良好的热稳定性和耐高压性。此外,共晶膜还表现出优异的长效稳定性,即使经过100小时的连续测试,性能几乎无下降, XRD分析也显示它们仍具有高结晶度。 此外,共晶策略还能被成功应用于其他分子体系,比如大环分子:同样能用晶体工程策略构建具有异质孔道的分离膜,展现了该策略的普适性。这种可整合具有不同结构、功能的分子的成膜方法能有效拓展气体分离膜的孔道特性,此工作也展现了多孔有机分子材料在气体的膜分离应用中的巨大潜力。 论文信息 Regularly Arranged Heterogeneous Pores in Gas Separation Membranes Constructed by Cocrystallization of Porous Organic Molecules Saisai Yu, Siyuan Yang, Miao Yang, Ju Yang, Ziye Song, Dingyue Hu, Heng Ji, Zhe Jia, Prof. Ming Liu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202420086

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