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邵路課題組實現仿植物根系穿插分子鏈結構CO2捕集膜

發布時間:2019-07-19瀏覽次數:711來源:化工與化學學院

近日,我校化工與化學學院教授、城市水資源與水環境國家重點實驗室成員邵路課題組在合成高滲透性、高強度CO2親和性分離膜方向取得重要研究成果,該成果通過在交聯聚氧化乙烯(PEO)分離膜中原位生成支化的穿插分子,實現了對PEO分離膜氣體滲透性能和機械性能的同步提高。研究成果以仿植物根系穿插分子鏈構筑高強度、高穩定性CO2氣體分離膜(Penetrating chains mimicking plant root branching to build mechanically robust, ultra-stable CO2-philic membranes for superior carbon capture)為題,發表在國際著名期刊《材料化學A》(Journal of Materials Chemistry A,影響因子10.733),并被選為當期雜志背封面(Back cover)。

PEO是一類具有較強CO2親和性的聚合物材料,是一種理想的CO2分離膜材料。PEO材料對CO2分子的強親和性源自于PEO分子鏈中的醚氧重復單元與CO2分子之間的偶極——四極作用。然而,純PEO材料由于鏈段高度規整,容易形成高分子結晶,結晶極大地降低了PEO的自由體積,嚴重影響了氣體分子在PEO中的溶解與擴散。因此,研究中常采交聯、共混、雜化、前段共聚等方法來抑制PEO分子的結晶,以提高PEO材料的氣體傳輸性能。其中,交聯是最常用、最有效的提高PEO分離膜性能的方法,但目前大多數交聯PEO分離膜的CO2滲透通量都較低。邵路課題組在前期研究中開發了一種基于紫外交聯PEO體系的半互穿網絡分離膜,在紫外交聯PEO中原位引入了低分子量的線性PEO分子,一舉將PEO基分離膜的CO2滲透通量提高到2980 Barrer。然而,由于低分子量線性PEO分子的流動性,削弱了這種高滲透性能的PEO在高壓測試環境下的結構穩定性。

為了克服半互穿網絡PEO膜機械性能較差的難題,邵路課題組受到植物根系的啟發,在最新的研究成果中設計了一種新型含有支化PEO互穿分子鏈的半互穿網絡分離膜。低分子量PEO摻雜的半互穿網絡結構穩定性較差的主要原因是線性的PEO分子與交聯網絡之間難以形成穩定的纏結,結構較為松散。因此在支化半互穿分離膜中摒棄了線性的PEO分子,而是采用兩步法,首先制備出具有優異PEO溶脹性的熱交聯PEO膜,再將雙官能度的低分子量PEO單體浸漬進入熱交聯PEO交聯網絡中,最終通過原位二次聚合在交聯PEO網絡中形成了具有支化結構的PEO互穿分子鏈,形成了新型的支化半互穿網絡結構。支化的PEO分子與交聯網絡之間可以形成牢固的動態纏結,從而提高了交聯體系的機械強度和結構穩定性。另外,支化PEO的分子側鏈在交聯網絡中依然保持著優異的運動能力,對交聯網絡起到塑化、增大自由體積和提高醚氧單元濃度的作用,進而促進了交聯膜的CO2滲透能力。因此,簡單地通過在熱交聯PEO網絡中原位形成支化PEO分子的方法,成功實現了對PEO半互穿網絡分離膜的氣體滲透性能和力學性能的同時提高,這種方法對高性能半互穿網絡分離膜的設計加工具有指導意義,同時也拓展了半互穿網絡分離膜的應用范圍。

原文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/TA/C9TA03416A

    邵路教授一直從事膜材料與膜分離的研究,在Energy Environmental ScienceJournal of Membrane ScienceNature CommunicationsMatter等國際期刊上發表了100余篇相關論文,所發文章曾入選ESI熱點文章3篇、ESI高引文章15篇,SCI引用3900余次、H-index=37



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