ZIF-8改性自具微孔聚合物膜的制备及其对CO_(2)的分离性能

为了提高自具微孔聚合物(PIMs)膜对CO_(2)的分离效果,对PIM-1膜进行功能化改性。首先,将PIM-1膜通过水解、置换等作用引入Zn2+离子,再将改性后的PIM-1膜浸泡在2-甲基咪唑的甲醇溶液中,于室温下在膜表面生长类沸石咪唑酯框架-8(ZIF-8)选择层,经过硅橡胶填补后得到无缺陷ZIF-8改性PIM-1膜(pZIF-8@PIM-1),并对其性能和结构进行测试和表征。结果表明:在离子改性后的PIM-1膜表面成功生长了厚度约0.8μm的ZIF-8选择层,晶体尺寸大小均匀,粒径直径在200 nm左右;与PIM-1纯膜相比,由于多价金属离子交联及ZIF-8选择层的存在,pZIF-8@PIM-1的CO_(2)扩散系数明显下降,CO_(2)/N_(2)扩散选择性有所上升,由0.89提升到1.01;ZIF-8中含氮有机杂环与CO_(2)之间的Lewis酸碱作用及2-甲基咪唑环上静电势对CO_(2)的亲和作用,使得pZIF-8@PIM-1的CO_(2)溶解度系数上升,且CO_(2)/N_(2)溶解选择性也得到提升,由18.56提升到20.31;改性后的PIM-1膜CO_(2)/N_(2)扩散选择性及CO_(2)/N_(2)溶解度选择性的双重提升共同促进了CO_(2)/N_(2)分离系数的提升,由原膜的16.57增加到20.43,具有良好的CO_(2)分离性能。

L-乳酸修饰自具微孔聚合物膜的制备及应用

用L-乳酸与5,5’,6,6’-四羟基-3,3,3’,3’-四甲基-1,1’-螺旋双茚满、四氟对苯二腈共同反应生成L-乳酸修饰自具微孔聚合物,并将其制备成膜。探究L-乳酸修饰自具微孔聚合物膜对酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸对映体的手性选择性渗透行为,并与未修饰自具微孔聚合物膜进行对比。实验结果表明,未修饰自具微孔聚合物膜不能手性选择性渗透酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸对映体;而L-乳酸修饰自具微孔聚合物膜可以手性选择性渗透酪氨酸对映体。最后,采用对接模拟方法对L-乳酸修饰自具微孔聚合物与色氨酸对映体的相互作用进行研究。

自具微孔聚合物PIM-1基热致刚性膜材料的制备及气体分离性能

以邻苯二酚和丙酮为原料,合成出四羟基化合物5,5′,6,6′-四羟基-3,3,3′,3′-四甲基-1,1′-螺旋双茚满,再与四氟对苯二腈发生聚合反应得到自具微孔聚合物PIM-1。然后,分别在300℃、350℃和400℃对PIM-1膜材料进行热处理得到热致刚性膜材料。利用核磁共振仪(NMR)、凝胶渗透色谱仪(GPC)、红外光谱仪(FTIR)、热重分析仪(TGA)、示差扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对所合成的四羟基化合物、PIM-1聚合物及热致刚性膜材料的结构和性能进行表征,并对其气体分离性能进行了测试。研究表明,所合成PIM-1的玻璃化转变温度为340℃,热分解温度为503℃。适当的热处理可提高PIM-1基热致刚性膜材料的气体分离性能,PIM-1-300对H_2、O_2、N2、CO_2和CH_4的渗透通量分别达到2 865Barrer、1 071Barrer、298Barrer、7 070Barrer和495Barrer。但随热处理温度升高,热交联程度增加,膜材料的气体渗透性逐渐降低,但选择性有所提高。PIM-1-400的CO_2/CH_4分离系数为18.51。

自具微孔聚合物PIM-1膜在气体分离领域的研究进展

PIM-1由自身扭曲且刚性的单体组成,具有比表面积高、热稳定性好和结构简单等优点,是最具代表性的一种自具微孔聚合物。与传统有机聚合物膜相比,PIM-1膜可表现出极高的气体渗透性,在气体分离领域展现出巨大的研究价值与应用潜力。因此概括并总结PIM-1膜在气体分离领域的研究进展,同时梳理制约PIM-1膜的发展的关键问题及解决策略十分有必要。本文首先概述了气体分离膜的性能指标及气体在膜内的传递模型,重点总结了近二十年来PIM-1膜在气体分离中的主要研究进展,包括纯PIM-1膜、改性PIM-1膜和PIM-1混合基质膜的设计制备及气体分离性能,并分析了不同改性方法和制膜策略对膜气体分离性能的影响以及膜内结构与性能之间的关系。最后,文章对PIM-1膜在实现工业应用前亟待解决的问题以及未来的研究重点进行了总结和展望,如继续致力于PIM-1膜对气体的渗透选择性提高,同时加强膜稳定性与超薄化的研究。

自具微孔聚合物在渗透汽化膜分离中的应用进展

介绍了自具微孔聚合物(PIMs)及其改性膜材料在渗透汽化膜分离领域中的应用研究进展,评述了在优先脱有机物、优先脱水以及有机混合物分离3个领域中所应用的PIMs膜的分子结构设计、改性方法以及分离效果。PIMs是一种依靠自身分子扭曲而具有大量微孔的新型聚合物,具有憎水性以及均一的孔结构,对于不同体系中的目标分离物均有较好的分离特性,有望成为通用的渗透汽化膜材料。认为开发更多种类的新型PIMs材料及其更多的分离应用,并且有必要关注如何实现PIMs合成的工业放大和提高PIMs膜应用的稳定性等问题。

磁场作用下磁性碳纳米管填充自具微孔聚合物膜的氧氮渗透性能

采用原位生长法合成磁性碳纳米管(Fe_3O_4-CNT),并将其填充到自具微孔聚合物PIM-1中,通过溶剂挥发法制备PIM-1/Fe_3O_4-CNT混合基质膜,考察了外加磁场作用下Fe_3O_4-CNT质量分数和磁场强度对混合基质膜的理化结构及其氧氮渗透性能的影响。结果表明,磁性碳纳米管与PIM-1基体间的相互作用增强,磁性碳纳米管在膜中的分散状态得到明显改善,同时混合基质膜的力学性能也得到了提高。Fe_3O_4诱导磁场和CNTs中空结构的协同作用显著提高了混合基质膜的氧氮渗透性能,当Fe_3O_4-CNT质量分数为1.5%时,PIM-1/Fe_3O_4-CNT混合基质膜的O_2渗透系数为602 Barrer,O_2/N_2选择性达到了4.32,与纯PIM-1膜相比分别提高了76%和27%;外加磁场强度增大,混合基质膜的O_2渗透系数和O_2/N_2理想选择性同时提高。

一种手性自具微孔聚合物的合成及手性荧光识别

手性作为自然界中的普遍现象,显著影响物质性能.手性物质的精准构筑和对映体识别技术有望对医药、信息、材料电脑等领域提供核心支持,但仍面临巨大挑战.以双酚A为原料,成功合成了高手性纯的(R)-3,3,3',3'-四甲基-1,1'-螺二茚-7,7'-二醇((R)-6,6'-TMSOL),通过与靛红分子间傅克反应,制备出手性自具微孔聚合物((R)-HSBI-Is),并通过核磁共振、红外光谱、紫外光谱、比表面积及孔径分析、热重分析等手段进行了全面表征与分析.研究结果显示,该聚合物具有高比表面积和强的荧光发光,对L-苯丙氨酸具有选择性的显著荧光增强效果,L和D构型选择性达34.9,可作为L-苯丙氨酸的特异性手性识别剂.

自具微孔聚合物在电化学能源转化及储存中的应用

清洁能源的储存和转化是人类应对能源危机的重要手段,其中电化学能源转化(如燃料电池)及储存(如液流电池(redox flow batteries,RFBs)、锂基动力电池等)技术受到广泛关注.然而,其商业化应用面临稳定性差、功率低及成本高等挑战.自具微孔聚合物(polymers of intrinsic microporosity,PIMs)中高度扭曲的刚性链结构赋予其超高比表面积(Brunauer-Emmett-Teller specific surface area,SABET)及埃米级微孔,可被应用于离子交换膜(ion-exchange membranes,IEMs)、电活性物质及界面功能层等关键部件,以提高电化学能源装置的性能,是一种极具应用前景的多孔材料.本文根据反应原理分类现有的PIMs材料,总结了经典PIMs的合成、官能团化及其微孔结构、性质的调控策略,对PIMs分子结构、孔结构及膜结构的表征方法,以及先进的原位表征和理论模拟手段,以推动对PIMs微孔中传质机理的认识,重点综述了PIMs在电化学能源转化和储存技术中的应用进展,并提出了未来的发展方向,以指导PIMs在能源领域的广泛应用.

自具微孔高分子气体分离膜的结构调控与改性研究

自具微孔高分子(polymers of intrinsic microporosity,PIMs)是近年来出现的一种新型有机微孔材料,由含有扭曲结构的刚性单体聚合而成,具有比表面积高、化学和物理性质稳定、微孔结构可控等优点,在均相催化、氢气储存等方面表现出巨大的应用潜力。因其优越的气体分离性能,PIMs气体分离膜更是吸引了众多研究者的关注,发展迅速。本文总结了PIMs的分类及其在气体分离膜中的应用,重点介绍了PIMs气体分离膜的结构调控与改性方面的研究进展,分析了PIMs的分子结构与气体分离性能间的内在关联,最后提出了目前研究中存在的一些问题并对其发展做出了简要的评述。

芴基微孔聚酰亚胺薄膜的制备和气体分离性能研究

聚酰亚胺的分子链规整性好、链间相互作用力强,但是气体透过偏低,为解决该问题,通过引入芴基致孔基元,利用含芴基结构的9,9-双(4-氨基苯基)芴(FDA)、9,9-双(4-氨基-3-氟苯基)芴(FFDA)和2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(BAPP)为单体,制备了一系列自具微孔聚酰亚胺膜(PIM-PI)。结果表明:随着致孔基元比例增加,与无致孔基元的纯膜相比,PIM-PI膜的气体分离性能改善显著。例如6FDA-FFDA/BAPP(8∶2)膜表现出优异的分离性能,CO_(2)渗透率为165.46Barrer和CO_(2)/CH_4选择系数为31.65,相较于纯膜,分别增加7.45倍和1.66倍。引入芴基致孔基元的微孔聚酰亚胺膜显著地提高了气体渗透率。

多孔聚合物贮氢材料的研究进展

微孔聚合物由于具有较高的比表面积,因此可用作物理吸附贮氢材料。本文通过比较0.1MPa、77K下自具微孔聚合物、超交联聚合物等多孔聚合物与其它多孔贮氢材料(如碳材料、金属有机网络等)的贮氢性能,阐述了比表面积、孔尺寸及孔形貌、与氢气的作用力等因素对多孔聚合物贮氢量的影响,由于合成超交联聚合物的单体多且孔形貌容易控制,因此超交联聚合物成为具有发展潜力的贮氢聚合物。

多孔聚合物储氢材料研究进展

综述多孔聚合物储氢材料自具微孔聚合物、共轭微孔聚合物、超交联聚合物的合成方法及储氢性质的研究进展.分析影响储氢材料的储氢性能因素,并与其他多孔储氢材料的储氢性能进行比较.

面向水系有机液流电池的离子交换膜

离子交换膜是水系有机液流电池的核心部件,其对离子的快速、选择性传导是水系有机液流电池实现高能量效率、低容量衰减速率的关键.而离子的传导过程与膜内的微观结构密切相关,因此本文结合膜内离子传导通道的构筑策略分析,综述微相分离膜、自具微孔膜、微孔框架膜在水系有机液流电池中的发展;并围绕离子交换膜的离子传导性、电活性分子阻隔性、稳定性和兼容性等重要特性,探讨离子交换膜设计及优化方向,以期为水系有机液流电池专用离子交换膜的创制提供参考.

微孔有机聚合物

微孔有机聚合物是一种新型的多孔材料,在非均相催化、吸附、分离和气体存储等方面具有潜在的应用.它是最近几十年发展起来的,全部由有机分子的构建块组装而成的微孔(孔径小于2.0nm)固体.依据设计策略的不同,主要可以分成以下4种:(1)通过交联反应阻止链密堆积的超交联聚合物;(2)通过刚性和扭曲基团阻止链密堆积的自具微孔聚合物;(3)通过大共轭?-体系刚性结构组建的共轭微孔聚合物;(4)通过适宜的官能团发生可逆地缩合反应来制备的共价有机骨架聚合物.本文根据国内外的研究背景,重点介绍自具微孔聚合物和共轭微孔聚合物.

Fe_3O_4/PIM-1磁性混合基质膜的制备及其O_2/N_2分离性能研究

以自具微孔聚合物PIM-1为聚合物基质,采用溶剂挥发法制备了Fe_3O_4/PIM-1磁性混合基质膜,研究了不同Fe_3O_4添加量以及在分离过程中有无外加磁场对膜的O_2/N_2分离性能影响.结果表明,随着Fe_3O_4添加量的增加,膜的O_2渗透系数和O_2/N_2选择性均先增加后减少.磁化后混合基质膜O_2/N_2分离性能进一步提高,这可以归因于磁场和磁化粒子对O_2和N_2分子的耦合作用.当Fe_3O_4添加量为2%时,在压力为0.1 MPa、温度为25℃,磁场强度为56mT下,O_2渗透系数达到681Barrer,O_2/N_2选择性为3.32.

聚酰亚胺气体分离膜材料的结构与性能

聚酰亚胺(PI)因具有优异的机械性能、耐热稳定性、化学稳定性、成膜性及结构设计可调节性,是应用于高性能气体分离膜的理想膜材料。但常规PI材料不熔不溶,难以加工制膜,应用于气体分离时通常应具有较低的透气性,长期应用时存在老化和塑化问题,这些缺点限制了其工业应用。自具微孔聚酰亚胺(PIM-PI)在保持良好的可溶解加工性、良好的耐热性及成膜性的同时,还具有相对常规PI更佳的分离性能,因而在气体分离领域表现出巨大的应用潜力。本文结合作者的研究工作,综述了常规PI及PIM-PI气体分离膜材料的制备路线、化学结构(如单体结构)及聚集态结构(如自由体积分数)和制膜方法等因素对其气体分离性能的影响,介绍了共聚、共混和交联等PI气体分离膜改性方法,并对该研究领域未来技术发展方向以及PI类气体分离膜材料的应用前景进行了展望。

PIM-CO19基热致刚性膜材料的制备和气体分离性能

以邻苯二酚和2-丁酮为原料合成四羟基化合物3,3’-二乙基-5,5’,6,6’-四羟基-3,3’,2-三甲基-1,1’-螺旋双茚满,然后与四氟对苯二腈发生聚合反应制备出自具微孔聚合物PIM-CO19。将PIM-CO19分别在300℃、350℃和400℃进行热处理,得到热致刚性膜材料。使用红外光谱仪(FTIR)、质谱(MS)、X-射线光电子能谱(XPS)、热重分析仪(TGA)、差示扫描量热仪(DSC)、X-射线衍射仪(XRD)以及气体渗透性能测试仪表征了PIMCO19和热致刚性膜材料的结构和性能。结果表明:在氮气氛围下PIM-CO19中的-CN间发生了热诱导的交联反应。调控热处理温度可提高PIM-CO19基热致刚性膜材料的气体渗透性能,使PIM-CO19-350对H_2、O_2、N_2、CO_2和CH_4的渗透通量分别达到了1758 Barrer、586 Barrer、180 Barrer、4075 Barrer和277 Barrer。当热处理温度提高到400℃时膜材料的气体渗透性逐渐降低,但其选择性明显提高,O_2/N_2和CO_2/CH_4的气体分离系数分别达到4.76和38.78。