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華科大王艷教授團隊 Mater. Horiz.：可控氫鍵交聯PDMS膜實現超快醇水分離

2023-05-19 來源：高分子科技

作為一種可替代石油燃料的新型環保可再生能源，生物醇類能源近年來在全球范圍內得到了越來越多的關注，但高效分離純化技術的缺乏卻限制著其進一步的大規模應用與發展。目前，具有良好親有機性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）滲透汽化膜在醇水分離研究領域得到了廣泛的關注，但前期研究主要集中于共價交聯PDMS膜的研究。然而共價交聯后的PDMS膜一般具有高交聯度和強相互作用，導致了膜的滲透通量降低。如何解決這一問題一直是該領域重大挑戰之一。

圖1. 可控氫鍵PDMS膜分離示意圖

近期，華中科技大學王艷教授團隊提出了一種新的PDMS膜制備策略，即用氫鍵交聯替換傳統的共價鍵交聯，制備了可控氫鍵的PDMS基滲透汽化膜（圖1）。通過分子結構設計（圖2），調控了PDMS膜內的氫鍵含量（圖3），進而改變了PDMS膜內分子鏈柔性（圖4）。實驗結果發現，隨著PDMS膜內氫鍵含量的降低，PDMS分子鏈柔性增加，從而顯著地增加滲透通量和維持乙醇/水分離因子幾乎不變（圖5a）。這項研究工作超越了目前所報道的醇水分離膜的分離性能（圖5b），為制備新一代膜材料提供了一個研究思路。該工作以“Controllable hydrogen-bonded poly(dimethylsiloxane) (PDMS) membranes for ultrafast alcohol recovery”為題發表在《Materials Horizons》上（Mater. Horiz. DOI: 10.1039/d3mh00250k）。文章第一作者是華中科技大學朱騰陽博士。該研究得到國家自然科學基金和國家重點研發項目的資金支持。

圖2. PDMS基滲透汽化膜的化學結構和氫鍵結構

圖3. PDMS基滲透汽化膜內（a）理論氫鍵含量、（b）氫鍵指數和（c）實際氫鍵含量

圖4. PDMS基滲透汽化膜的（a）玻璃化溫度（T_g）和（b）流變性能

圖5. APDMS/HPDMS(e:f)-HDI膜的（a）滲透汽化性能和（b）分離性能比較圖

華中科技大學王艷教授團隊近年來一直致力于醇水分離研究，包括從醇中脫水和從水中回收醇兩方面的應用。關于醇中脫水的研究，主要集中于中空纖維超薄復合膜的制備，主要采用金屬交聯輔助（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。關于水中回收醇的研究，主要集中于制備PDMS基復合膜，通過ZIF粒子的引入（J. Membr. Sci. 2020, 598, 117681; ACS Sustain. Chem. Eng. 2020, 8, 12664-12676）、微納結構的構筑（J. Environ. Chem. Eng. 2021, 9, 104977）和PDMS分子結構的設計（Mater. Horiz. DOI: 10.1039/d3mh00250k）等策略，實現PDMS膜性能的提升。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/d3mh00250k

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（責任編輯：xu）

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