国家纳米科学中心Nat. Chem.：具有刚性骨架共轭高分子的自组装微孔薄膜用于超快有机溶剂纳米过滤

【引言】

分离技术是现代工业中最重要的技术之一，常规分离技术如蒸馏、蒸发、精馏等都设计高能耗的过程，而膜分离是近年来快速发展的一种低能耗、高效的分离方法。膜分离过程能够通过在选择性膜两侧施加压力差，使得待分离物质选择性通过膜从而实现分离，其中实现高效膜分离的关键在于高选择性膜材料。目前膜分离技术在水纯化和海水脱盐等方面已经实现应用，然而其在有机体系的应用相对滞后，主要的原因有两个：首先是多数传统的一维聚合物材料在有机溶液中不稳定；其次是传统一维聚合物薄膜没有永久性孔，降低了分离效率。

【成果简介】

近日，国家纳米科学中心唐智勇研究员和李连山副研究员合作，发展了一种在SiO₂表面引发表面聚合反应的方法，并通过精细控制表面修饰及聚合反应条件，成功地获得了平方厘米级的超滤膜多孔支撑层。分子截留结果表明，该微孔薄膜不仅具有优异的稳定性，其过滤速度还比目前商用的聚合物薄膜高出两个数量级。该成果以题为"Microporous membranes comprising conjugated polymers with rigid backbones enable ultrafast organic-solvent nanofiltration"发表在国际著名期刊Nature Chemistry上。

【图文导读】

图1 全共轭CMP膜的制备和机械性质表征

(a) 在溴苯官能化的Si/SiO₂衬底上CMP膜的表面引发聚合示意图；

(b) 转移到PAN基底上约42纳米厚的p-CMP膜的照片；

(c) 转移到硅基底上CMP膜的大面积表面和横截面（插图）的SEM图像；

(d) 在硅晶片上p-CMP膜的AFM图像；

(e) 在硅晶片上p-CMP膜的AFM高度轮廓；

(f) CMP聚合物与聚酰胺聚合物的化学结构刚性对比；

(g) p-CMP膜转移到弹性基底上并施加压缩应力时皱纹形成的AFM图像；

(h) 聚酰胺聚合物膜转移到弹性基底上并施加压缩应力时皱纹形成的AFM图像；

(i) p-CMP膜的杨氏模量；

(j) 聚酰胺聚合物膜的杨氏模量。

图2 p-CMP、m-CMP 和o-CMP 膜的纳滤性能

(a) CMP膜对各种不同分子量染料的排阻行为；

(b) PPh-IX染料在甲醇中的紫外可见吸收光谱以评估p-CMP膜的分离性能；

(c) 通过不同的CMP膜时溶剂渗透性与溶剂年度的关系曲线;

(d) 对于p-CMP，m-CMP和o-CMP膜，甲醇的渗透率与倒膜厚度的关系；

(e) 对于p-CMP膜，己烷、甲醇和乙醇随时间的渗透曲线；

(f) p-CM-OH经不同化学后修饰后的排阻行为。

图3无定形聚合物模型的结构分析

(a) p-CMP膜中互连（绿色）和断开（红色）空隙图像；

(b) m-CMP 膜中互连（绿色）和断开（红色）空隙图像；

(c) o-CMP 膜中互连（绿色）和断开（红色）空隙图像;

(d) 聚酰胺聚合物膜中互连（绿色）和断开（红色）空隙图像；

(e) p-CMP膜中空隙相对于孔径着色图像；

(f) m-CMP膜中空隙相对于孔径着色图像;

(g) o-CMP膜中空隙相对于孔径着色图像。

【小结】

本文报道了通过表面聚合反应获得具有刚性骨架的自组装多孔聚合物膜，研究发现该聚合物膜能够在有机溶剂体系中实现高溶剂通量以及高选择性的过滤。相对于传统的一维柔性聚合物材料，该过滤膜具有很高的热稳定性以及丰富的自组装微孔，还可以通过化学后修饰手段对孔结构或尺寸进行调控。因此，这类材料具有永久性微孔结构及高孔隙率，有望成为新一代高效膜分离材料。

文献链接：Microporous membranes comprising conjugated polymers with rigid backbones enable ultrafast organic-solvent nanofiltration(Nat. Chem. 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0093-9)

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