自上世纪70年代气体分离膜商业化以来，聚合物膜主导着气体分离膜市场，例如，聚合物膜占天然气去除CO2市场的 90%。尽管如此，聚合物膜仍面临气体分渗透性-选择性上限的问题。近几十年来，已经有大量研究来探索打破这种膜分离上限，包括热重排聚合物、混合基质膜和自具微孔聚合物 (PIMs)的尝试。PIMs因为超渗透性，所以重新定义了一个新的上限，即2019年的分离上限，这也是气体膜分离的一个最新的上限。
课题组马沧海教授联合中国科学院山西煤炭化学研究所李南文研究员、中国石油大学（北京）樊燕芳教授和湖北科技大学陈秀玲博士，提出通过热交联来解决此问题。在热处理过程中，含有ppm 级氧气存在的情况下，它涉及三种不同的交联机制。在这项工作中，我们将三种机制称为：i）通过叔胺与溴甲基反应形成季铵盐，ii）高温下的烷基化反应和 iii）聚合物链剪断和重排后的热氧化交联反应，示意图如图 1 所示。
图1 PIM-BM与TB之间的交联反应示意图。a PIM-BM和TB的化学结构；b PIM-BM和TB 之间的交联机制
气体分离性能测试中，如图2a所示，选择包括 H2、CO2、O2、N2和CH4等不同的气体，来测量膜中的气体传输特性。这些膜在CO2/CH4 和H2/CH4分离方面显示出前所未有的分离性能，其渗透性-选择性远高于包括最新的2019年在内的分离上限，如图2b 和 2c 所示。
图2 气体分离性能测试。a作为动力学直径的函数的气体渗透率；b CO2 /CH4分离性能和Robeson 上限；c H2 /CH4分离性能和Robeson 上限
本研究成果以“Ultra-selective molecular-sieving gas separation membranes enabled by multi-covalent-crosslinking of microporous polymer blends”发表在《Nature Communications》上（DOI: 10.1038/s41467-021-26379-5），第一作者为中国石油大学（北京）樊燕芳教授和湖北科技大学陈秀玲博士，共同通讯作者为大连理工大学马沧海教授和中国科学院山西煤炭化学研究所李南文教授。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26379-5