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太原理工大学李晋平教授团队 J. Membr. Sci. | 调控碳分子筛膜孔径均匀性以实现高效气体分离性能

2026-07-13 22:20:54

GSIC2026现场

化石燃料燃烧导致大量温室气体排放，对全球生态系统构成严重威胁。2024年全球碳排放达36.3 Gt，大气CO₂浓度创历史新高423 ppm。同时，低浓度煤层气（<30% CH₄）的直接排放加剧了环境负担，CH₄的温室效应在20年时间尺度内是CO₂的86倍。膜分离技术具有高能效、环境友好和占地面积小等优势，但聚合物膜存在渗透性-选择性权衡效应，且耐受极端条件能力差，限制了工业化应用。碳分子筛（CMS）膜通过聚合物前驱体惰性气氛下碳化制备，具有独特的双峰孔径分布，其中微孔提高气体渗透性、超微孔通过分子筛分效应提高选择性。然而，膜内非选择性孔和盲孔的存在损害了筛分能力，孔径不均匀是限制CMS膜性能突破和工业化应用的关键因素。太原理工大学李晋平/王永洪联合团队设计合成了三种新型聚酰亚胺前驱体，通过3,5-二氨基苯甲酸（DABA）和4,4'-(六氟异丙基)二酞酸酐（6FDA）分别与三种不同构型的二胺单体共聚：对称结构的1,4-双(4-氨基苯氧基)苯（TPE-Q）、非对称结构的1,3-双(4-氨基苯氧基)苯（TPE-R）和含扭曲结构的2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷（BAPP）。通过控制二胺单体构型，制备了具有相对规则链结构的前驱体，经高温热解后形成孔径相对均匀的CMS膜（分别命名为CM-Q、CM-R和CM-P）。系统研究了二胺比例、聚合时间、热解温度和恒温时间等制备条件对膜性能的影响，采用ATR-FTIR、XRD、¹H NMR、CO₂吸附等温线等手段表征了前驱体和CMS膜的化学结构、热稳定性及孔结构特征。研究成果发表于国际膜科学领域期刊《Journal of Membrane Science》。

CM-Q膜展现出最优的气体分离性能：CO₂、N₂和CH₄渗透系数分别为7409、713和245 Barrer，CO₂/N₂、CO₂/CH₄和N₂/CH₄选择性分别为10.4、30.2和2.9，超越了2019年CO₂/CH₄和2008年N₂/CH₄的Robeson上限，接近2008年CO₂/N₂上限。该优异性能源于对称构型TPE-Q赋予前驱体的高规整性和刚性，热解过程中形成孔径均匀（约0.78 nm）的碳骨架，增强了分子筛分效应；同时保留的极性含氧基团和氮掺杂结构作为CO₂亲和位点，通过偶极-四极和酸碱相互作用促进表面扩散。此外，CM-Q在空气、真空和CO₂/N₂混合气氛围中储存30天后表现出可接受的老化稳定性，混合气连续进料12小时性能几乎无变化。研究表明，调控聚合物规整性可优化前驱体的刚性和自由体积，进而控制CMS膜孔径均匀性以提升分子筛分效应。