可加工分子筛分膜是工业制氢过程中实现高效燃烧前CO₂捕集的重要材料。然而，旨在将纳米孔结构的分子筛分性能与工业可加工聚合物相结合的混合基质膜（MMMs）的设计仍然面临着性能和制造方面的问题，这是由于在聚合物基质中形成了分离的纳米填料结构域所致。

近日，新加坡国立大学Tai-Shung Chung报道了制备了一系列分子均一的含硫芳烃（SCAs）的纳米复合膜，这些膜达到了真正的MMCMs的标准，并且由于只实现了一个完整的连续聚合物相，显示出优异的H₂/CO₂的分子筛分性能和类似于原始聚合物膜的优异的机械力化学性能。

文章要点

1）SCA是有机大环空腔（OMC）家族的一员，具有碗状开放空腔，大小可调，多个磺酸基团可以参与极性相互作用，如与聚合物的氢键作用。它们还能溶于各种常见的有机溶剂，包括二甲基甲酰胺(DMF)、N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)和N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。研究人员将3种不同的SCA分子，即4-磺基硫杂杯[4]芳烃（STCA4）、4-磺基杯[6]芳烃（SCA6）和4-磺基杯[8]芳烃（SCA8）分别加入到聚[2,2‘-(亚苯基)-5,5’-联苯并咪唑]（PBI）膜中，研究了空腔大小对H₂/CO₂分离的影响。

2）由空腔尺寸最小的STCA4制备的MMCM具有最强的尺寸筛分性能，而由空腔尺寸较大的SCA6和SCA8制备的MMCM由于形成较小的孔口的聚合物链的部分空腔侵入而表现出较不显著的尺寸筛分性能，但仍显著增强了MMCM的尺寸筛分性能。结果表明，这三组PBI-SCA纳米复合膜表现出不同的性能提高趋势，均能以5.5%~10wt%的负载量大幅超过最新的H₂/CO₂上限。其高温混合气体H₂/CO₂分离性能甚至可以与许多最先进的无机或骨架型膜相媲美。

3）考虑到杯芳烃的大小、构象和功能具有广泛的可调性，以及许多其他类似杯芳烃的可调OMC家族的存在，如杯吡咯、间苯二酚等，这种基于大环腔的分子筛分MMCM设计有望为许多其他能量密集型分子分离以及用于燃料电池开发的高温聚合物电解质膜提供广泛的适用性。

参考文献

Ji Wu, et al, Tunable Supramolecular Cavities Molecularly Homogenized in Polymer Membranes for Ultra-efficient Precombustion CO₂ Capture, Adv. Mater. 2021

DOI: 10.1002/adma.202105156

https://doi.org/10.1002/adma.202105156