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  近日，國(guó)家納米科學(xué)中心和中國(guó)科學(xué)院納米科學(xué)卓越中心唐智勇研究員和李連山副研究員在具有剛性分子骨架的自組裝多孔薄膜用于高效有機(jī)小分子分離的研究中取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果“Microporous membranes comprising conjugated polymers with rigid backbones enable ultrafast organic-solvent nanofiltration”于2018年7月23日在線發(fā)表在《自然·化學(xué)》（Nature Chemistry）雜志 (Nat. Chem. 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0093-9)。

  當(dāng)今工業(yè)過(guò)程中涉及大量的分離、純化或者濃縮過(guò)程,因此分離技術(shù)成為現(xiàn)代工業(yè)中最重要的技術(shù)之一。目前，分離純化過(guò)程主要依賴于高能耗的基于熱的過(guò)程，例如蒸餾、蒸發(fā)、精餾等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，化工工業(yè)中用于分離和純化的能源消耗占據(jù)了全部能源消耗的一半，其中80%被蒸餾過(guò)程消耗。因此，開發(fā)低能耗、高效的分離純化技術(shù)將極大的降低能源消耗。

  膜分離過(guò)程是一種在選擇性膜兩側(cè)施加壓力差，使得待分離物質(zhì)選擇性通過(guò)膜從而實(shí)現(xiàn)分離的過(guò)程，這一過(guò)程的核心技術(shù)是高效、高選擇性膜材料。這一技術(shù)在水純化或者海水脫鹽方面已經(jīng)有了很成熟的應(yīng)用，利用聚酰胺等聚合物材料的薄膜實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)或離子去除。然而，其在有機(jī)體系的應(yīng)用相對(duì)滯后，這是因?yàn)榇蟛糠謧鹘y(tǒng)的一維聚合物材料在有機(jī)溶液中不穩(wěn)定。其次，傳統(tǒng)一維聚合物薄膜沒(méi)有永久性孔，導(dǎo)致分離速度非常低下。

  為了同時(shí)解決高穩(wěn)定性、高溶劑通量及高選擇性的問(wèn)題，唐智勇課題組選擇了具有剛性骨架的自組裝多孔聚合物材料。

  這種材料相比于傳統(tǒng)的一維柔性聚合物材料有非常大的優(yōu)勢(shì)：

• 第一，三維全共軛結(jié)構(gòu)使得這類材料在任何溶劑中不溶，且具有很高的熱穩(wěn)定性；

• 第二，剛性骨架支撐起豐富的自組裝微孔，有利于溶劑的傳輸；

• 最后，可通過(guò)化學(xué)手段對(duì)孔結(jié)構(gòu)或尺寸進(jìn)行調(diào)控。

  然而其三維剛性結(jié)構(gòu)在解決了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，其不溶的特性也同時(shí)帶來(lái)了材料成膜困難的問(wèn)題。因此，如何獲得高質(zhì)量的薄膜是解決這類材料在膜分離領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵一步。受一維聚合物表面聚合的啟發(fā)，該課題組在SiO2表面修飾初始聚合位點(diǎn)后進(jìn)行表面聚合反應(yīng)，通過(guò)精細(xì)控制表面修飾及聚合反應(yīng)條件，獲得了平方厘米級(jí)的無(wú)缺陷薄膜并成功轉(zhuǎn)移至超濾膜多孔支撐層。分子截留測(cè)試表明，其對(duì)有機(jī)溶劑具有極高的穩(wěn)定性，在同等選擇性基礎(chǔ)上，過(guò)濾速度較目前商用的一維柔性聚合物薄膜高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這一結(jié)果主要得益于這類材料永久性微孔結(jié)構(gòu)及高孔隙率，使其有望成為新一代高效膜分離材料。

圖：聚合物全剛性骨架支撐起自組裝結(jié)構(gòu)中高度聯(lián)通的永久性微孔

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-018-0093-9.pdf