高支化刚性微孔聚合物网络构建及其高效阴离子分离机制研究

本文推荐：作者通过分子模拟研究了9种新型本征微孔聚酰亚胺（PIM-PIs）在甲醇中的溶胀行为及有机溶剂纳滤（OSN）性能，揭示了溶胀度与孔径、膜-溶剂相互作用的定量关系，发现含三蝶烯（triptycene）单元的膜材料具有更显著的溶胀特性。研究证实甲醇氢键在膜内的寿命长于体相，并预测3种膜材料的甲醇渗透性优于现有文献报道值，为高性能OSN膜设计提供了原子尺度见解。

　　

Highlight

作为独特的微孔聚合物类别，本征微孔聚酰亚胺（PIM-PIs）在有机溶剂纳滤（OSN）领域备受关注。本研究通过分子模拟考察了九种新型PIM-PI膜在甲醇中的溶胀行为和OSN性能。研究发现溶胀度与孔径和膜-溶剂相互作用存在定量关联：含有更大体积三蝶烯单元的膜材料在溶胀后表现出更显著的密度下降和孔形态改变。甲醇分子氢键在膜内的寿命因聚合物基质的约束作用而长于体相。其中三种膜的甲醇渗透性计算值超越文献报道的多数现有膜材料。

Atomic models

实验上，PIM-PI可通过二酐与二胺缩合制备（图1）。其骨架包含限制旋转的三蝶烯扭曲单元（蓝色）和维持稳定性的聚酰亚胺单元（橙色）。本研究涉及的九种PIM-PI（C2287等）通过机器学习从155,610种候选材料中筛选获得，具有高自由体积分数（FFV）。

Membrane swelling

通过五轮溶胀循环的密度分布分析（图S2），采用误差函数拟合方法定量表征结构演变。含大体积三蝶烯单元的膜材料溶胀后形成更大连通孔道，溶胀度与平均孔径d_m及膜-溶剂相互作用能呈线性相关。甲醇分子在PIM-PI氮原子周围的分布位置与三蝶烯单元尺寸相关。

Conclusions

研究揭示了三蝶烯基元尺寸对膜溶胀特性的调控机制，为设计抗溶胀、高渗透性的OSN膜提供了关键理论依据。