华科大王艳教授团队 Mater. Horiz.：可控氢键交联PDMS膜实现超快醇水分离

2023-05-19 来源：高分子科技

作为一种可替代石油燃料的新型环保可再生能源，生物醇类能源近年来在全球范围内得到了越来越多的关注，但高效分离纯化技术的缺乏却限制着其进一步的大规模应用与发展。目前，具有良好亲有机性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）渗透汽化膜在醇水分离研究领域得到了广泛的关注，但前期研究主要集中于共价交联PDMS膜的研究。然而共价交联后的PDMS膜一般具有高交联度和强相互作用，导致了膜的渗透通量降低。如何解决这一问题一直是该领域重大挑战之一。

图1. 可控氢键PDMS膜分离示意图

近期，华中科技大学王艳教授团队提出了一种新的PDMS膜制备策略，即用氢键交联替换传统的共价键交联，制备了可控氢键的PDMS基渗透汽化膜（图1）。通过分子结构设计（图2），调控了PDMS膜内的氢键含量（图3），进而改变了PDMS膜内分子链柔性（图4）。实验结果发现，随着PDMS膜内氢键含量的降低，PDMS分子链柔性增加，从而显著地增加渗透通量和维持乙醇/水分离因子几乎不变（图5a）。这项研究工作超越了目前所报道的醇水分离膜的分离性能（图5b），为制备新一代膜材料提供了一个研究思路。该工作以“Controllable hydrogen-bonded poly(dimethylsiloxane) (PDMS) membranes for ultrafast alcohol recovery”为题发表在《Materials Horizons》上（Mater. Horiz. DOI: 10.1039/d3mh00250k）。文章第一作者是华中科技大学朱腾阳博士。该研究得到国家自然科学基金和国家重点研发项目的资金支持。

图2. PDMS基渗透汽化膜的化学结构和氢键结构

图3. PDMS基渗透汽化膜内（a）理论氢键含量、（b）氢键指数和（c）实际氢键含量

图4. PDMS基渗透汽化膜的（a）玻璃化温度（T_g）和（b）流变性能

图5. APDMS/HPDMS(e:f)-HDI膜的（a）渗透汽化性能和（b）分离性能比较图

华中科技大学王艳教授团队近年来一直致力于醇水分离研究，包括从醇中脱水和从水中回收醇两方面的应用。关于醇中脱水的研究，主要集中于中空纤维超薄复合膜的制备，主要采用金属交联辅助（Chem. Eng. J. 2022, 448, 137773; Adv. Membr. 2023, 3, 100062）和二次界面聚合（AlChE J. 2021, 67, e17144）等策略。关于水中回收醇的研究，主要集中于制备PDMS基复合膜，通过ZIF粒子的引入（J. Membr. Sci. 2020, 598, 117681; ACS Sustain. Chem. Eng. 2020, 8, 12664-12676）、微纳结构的构筑（J. Environ. Chem. Eng. 2021, 9, 104977）和PDMS分子结构的设计（Mater. Horiz. DOI: 10.1039/d3mh00250k）等策略，实现PDMS膜性能的提升。

原文链接：https://doi.org/10.1039/d3mh00250k

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（责任编辑：xu）

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