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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。


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。 


2. PDMS基渗透汽化膜的化学结构和氢键结构 


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(Tg)和(b)流变性能
 

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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