離子篩分膜能够實現離子、分子的精准分離，在能源、淡水、化工、製藥等領域發揮著不可替代的重要作用。聚合物多孔膜憑藉資料成本低、容易大規模製備等優勢，在學術界和工業界獲得了廣泛青睞。然而，與COFs，MOFs等晶體材料所製備的膜相比，傳統聚合物膜的孔徑尺寸不一、孔徑分佈較寬，因而影響了其選擇性。提高多孔聚合物膜的孔徑均一性是實現精准篩分的關鍵。然而，為實現這一目標，膜資料的選擇和膜製備方法的優化都極具挑戰性。
近期，沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）賴志平教授團隊採用電聚合策略（electro-polymerization），利用哢唑類共軛微孔聚合物（CMPs）製備了具有高度孔徑均一性的新型離子篩分膜，對離子、分子實現亞埃級別的精准篩分。該工作近日以“Precise Sub-Angstrom Ion Separation Using Conjugated Microporous Polymer Membranes”為題發表在《ACS Nano》雜誌上。據瞭解，CMPs獨特的共軛剛性結構為膜提供了穩固的內在微孔；精心選擇的CMP單體和優化設計的電聚合策略使得反應產物均一，進而確保了微孔的尺寸一致性；膜厚度的精確控制在降低傳質阻力的同時兼顧了膜的選擇性。
不同於傳統剛性高分子膜機械強度差等特點，該工作繼承了課題組前期研究基礎（Nature communications 11.1（2020）：1-9.），利用多孔、導電的碳納米管（CNTs）薄膜作為工作電極，在膜的製備過程中，CMPs聚合物薄膜直接生長在CNTs中間支撐層上，形成完全嵌入式的複合結構（圖1）。複合膜的厚度和表面形貌可通過電聚合參數的調整實現預期調控。優化後的膜具有809 m2/g的BET比表面積和高度均一的孔徑（8.4Å）。其孔結構特點可以比肩COFs、MOFs等晶體材料膜。同時，得益於其複合結構，CMPs膜的平均楊氏模量達到7 GPa，比傳統聚醯胺膜約高出20倍。優异的機械效能使其能够滿足各種膜過程的使用要求。
圖1.CMP膜的製備與形貌表徵。
該CMPs離子篩分膜在壓力、濃度和電場驅動三種膜過程下均表現極高的選擇性。以壓力驅動膜過程為例，膜的10%截留水合直徑（HDRO）和90%截留水合直徑（HDCO）分別為為9.0和9.5Å，兩者差距僅為0.5Å，篩分精度達到亞埃級別（圖2）。分子結構類比和動力學類比進一步表明膜的選擇性主要來自於尺寸篩分（圖3）。
圖2.CMP膜在壓力（a）、濃度（b、c）以及電驅動（d）膜過程下的離子篩分表現。
圖3.膜的結構類比。
該工作的另外一大亮點在於，不同於晶體材料膜或2D納米片層膜，CMPs膜結構連續，不存在晶粒邊界等帶來的缺陷。同時，CMPs膜無需熱處理、有機溶劑啟動等，避免了後處理帶來的問題。並且，電聚合製備的CMPs膜，聚合物和薄膜同步生成，無需對聚合物二次處理成膜。CMPs豐富的單體和多樣的製備調控手段為該類聚合物在膜領域的應用提供了廣闊天地。
文獻連接：
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.1c03194
原文刊載於【高分子科學前沿】公眾號
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