邵路课题组实现仿植物根系穿插分子链结构CO2捕集膜

近日，我校化工与化学学院教授、城市水资源与水环境国家重点实验室成员邵路课题组在合成高渗透性、高强度CO2亲和性分离膜方向取得重要研究成果，该成果通过在交联聚氧化乙烯（PEO）分离膜中原位生成支化的穿插分子，实现了对PEO分离膜气体渗透性能和机械性能的同步提高。研究成果以仿植物根系穿插分子链构筑高强度、高稳定性CO2气体分离膜（Penetrating chains mimicking plant root branching to build mechanically robust, ultra-stable CO2-philic membranes for superior carbon capture）为题，发表在国际著名期刊《材料化学A》（Journal of Materials Chemistry A，影响因子10.733），并被选为当期杂志背封面（Back cover）。

PEO是一类具有较强CO2亲和性的聚合物材料，是一种理想的CO2分离膜材料。PEO材料对CO2分子的强亲和性源自于PEO分子链中的醚氧重复单元与CO2分子之间的偶极——四极作用。然而，纯PEO材料由于链段高度规整，容易形成高分子结晶，结晶极大地降低了PEO的自由体积，严重影响了气体分子在PEO中的溶解与扩散。因此，研究中常采交联、共混、杂化、前段共聚等方法来抑制PEO分子的结晶，以提高PEO材料的气体传输性能。其中，交联是最常用、最有效的提高PEO分离膜性能的方法，但目前大多数交联PEO分离膜的CO2渗透通量都较低。邵路课题组在前期研究中开发了一种基于紫外交联PEO体系的半互穿网络分离膜，在紫外交联PEO中原位引入了低分子量的线性PEO分子，一举将PEO基分离膜的CO2渗透通量提高到2980 Barrer。然而，由于低分子量线性PEO分子的流动性，削弱了这种高渗透性能的PEO在高压测试环境下的结构稳定性。

为了克服半互穿网络PEO膜机械性能较差的难题，邵路课题组受到植物根系的启发，在最新的研究成果中设计了一种新型含有支化PEO互穿分子链的半互穿网络分离膜。低分子量PEO掺杂的半互穿网络结构稳定性较差的主要原因是线性的PEO分子与交联网络之间难以形成稳定的缠结，结构较为松散。因此在支化半互穿分离膜中摒弃了线性的PEO分子，而是采用两步法，首先制备出具有优异PEO溶胀性的热交联PEO膜，再将双官能度的低分子量PEO单体浸渍进入热交联PEO交联网络中，最终通过原位二次聚合在交联PEO网络中形成了具有支化结构的PEO互穿分子链，形成了新型的支化半互穿网络结构。支化的PEO分子与交联网络之间可以形成牢固的动态缠结，从而提高了交联体系的机械强度和结构稳定性。另外，支化PEO的分子侧链在交联网络中依然保持着优异的运动能力，对交联网络起到塑化、增大自由体积和提高醚氧单元浓度的作用，进而促进了交联膜的CO2渗透能力。因此，简单地通过在热交联PEO网络中原位形成支化PEO分子的方法，成功实现了对PEO半互穿网络分离膜的气体渗透性能和力学性能的同时提高，这种方法对高性能半互穿网络分离膜的设计加工具有指导意义，同时也拓展了半互穿网络分离膜的应用范围。