新型材料有望成為新一代高效膜分離材料 用于高效有機小分子分離取得新進展

近日，中國科學院國家納米科學中心、納米科學卓越創新中心研究員唐智勇和副研究員李連山在具有剛性分子骨架的自組裝多孔薄膜用于高效有機小分子分離的研究中取得新進展。相關研究成果Microporous membranes comprising conjugated polymers with rigid backbones enable ultrafast organic-solvent nanofiltration 于7月23日在線發表在《自然-化學》(Nature Chemistry)雜志 (Nat. Chem. 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0093-9)。

　　當今工業過程中涉及大量的分離、純化或者濃縮過程，因此分離技術成為現代工業中最重要的技術之一。目前，分離純化過程主要依賴于高能耗的基于熱的過程，例如蒸餾、蒸發、精餾等。據統計，化工工業中用于分離和純化的能源消耗占據了全部能源消耗的一半，其中80%被蒸餾過程消耗。因此，開發低能耗、高效的分離純化技術將極大降低能源消耗。

　　膜分離過程是一種在選擇性膜兩側施加壓力差，使得待分離物質選擇性通過膜從而實現分離的過程，這一過程的核心技術是高效、高選擇性膜材料。這一技術在水純化或者海水脫鹽方面已經有了很成熟的應用，利用聚酰胺等聚合物材料的薄膜實現雜質或離子去除。然而，其在有機體系的應用相對滯后，這是因為大部分傳統的一維聚合物材料在有機溶液中不穩定。其次，傳統一維聚合物薄膜沒有永久性孔，導致分離速度非常低下。

　　為了同時解決高穩定性、高溶劑通量及高選擇性的問題，唐智勇課題組選擇了具有剛性骨架的自組裝多孔聚合物材料。這種材料相比于傳統的一維柔性聚合物材料有非常大的優勢：第一，三維全共軛結構使得這類材料在任何溶劑中不溶，且具有很高的熱穩定性;第二，剛性骨架支撐起豐富的自組裝微孔，有利于溶劑的傳輸;最后，可通過化學手段對孔結構或尺寸進行調控。然而其三維剛性結構在解決了結構穩定性的同時，其不溶的特性也同時帶來了材料成膜困難的問題。因此，如何獲得高質量的薄膜是解決這類材料在膜分離領域應用的關鍵一步。受一維聚合物表面聚合的啟發，該課題組在SiO₂表面修飾初始聚合位點后進行表面聚合反應，通過精細控制表面修飾及聚合反應條件，獲得了平方厘米級的無缺陷薄膜并成功轉移至超濾膜多孔支撐層。分子截留測試表明，其對有機溶劑具有極高的穩定性，在同等選擇性基礎上，過濾速度較目前商用的一維柔性聚合物薄膜高出兩個數量級。這一結果主要得益于這類材料永久性微孔結構及高孔隙率，使其有望成為新一代高效膜分離材料。

　　國家納米中心博士梁斌和助理研究員王會為文章的共同第一作者;唐智勇、李連山為共同通訊作者。

聚合物全剛性骨架支撐起自組裝結構中高度聯通的永久性微孔