通过原位形成的cPIM-1网络填料提高基于PIM-1的混合基质膜的界面相容性

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Enhancing Interfacial Compatibility of PIM-1-Based Mixed-Matrix Membranes through In Situ-Formed cPIM-1 Networked Fillers

高效二氧化碳捕获需解决混合基质膜（MMMs）的渗透率-选择性矛盾及界面缺陷问题。本研究提出三相混合基质膜（TMMMs）概念，通过功能化PIM作为分子桥梁增强基体与填料的相容性，减少非选择性缺陷，同时优化孔隙结构提升CO2吸附量。实验显示3D-COF/PIM-1/carboxylated PIM-1三相膜CO2渗透率达9560 Barrer，选择性22.7，显著优于传统两相膜。

　　

高效捕获二氧化碳（CO₂）对于减少过量碳排放和推进碳中和目标至关重要，这有助于推动碳捕获、利用与封存（CCUS）技术的发展。膜技术在二氧化碳捕获过程中具有环保和节能的优势。由具有内在微孔性的聚合物（PIMs）与复合填料接枝后形成的混合基质膜（MMMs）在气体分离方面展现出巨大潜力。然而，传统的双相MMMs通常面临一个根本性挑战：即渗透性与选择性之间的权衡，以及由于聚合物基质与填料之间兼容性不佳而产生的非选择性界面缺陷。此外，复合填料的合成过程通常较为复杂，且高度依赖于填料与接枝聚合物之间的合理匹配，这限制了该材料系统的广泛应用。为从根本上解决界面兼容性问题，我们重点设计了界面处的第三相结构。本文提出了一种基于聚合物-填料-聚合物（TMMMs）的三相体系，用于高效分离二氧化碳。该体系由PIM基质、填料以及一种功能化的PIM型组分构成。由于所选的功能化PIMs能与填料和PIM基质形成牢固的相互作用，它们可以在两相之间起到分子桥梁的作用，从而减少非选择性界面缺陷的产生。同时，功能化PIMs的引入不仅增加了二氧化碳的吸附位点数量，还有助于在填料与基质相之间形成多孔网络结构，从而显著提升膜的性能。具体而言，由3D-COF（填料，5 wt%）、PIM-1（基质）和羧基化PIM-1（cPIM-1，第三组分，1 wt%）制成的代表性三元膜表现出优异的性能：其二氧化碳渗透率达到9560 Barrer，二氧化碳/氮气选择性为22.7，并且具有较好的抗老化性能，相较于纯PIM-1膜和PIM-1/3D-COF二元膜更为优越。我们认为，这一创新概念为制备无缺陷、高性能的基于PIM的MMMs提供了新的途径，适用于二氧化碳捕获及其他气体分离应用。