通过碳化含有强筛分超微孔的聚合物制备的碳分子筛(CMS)膜对于高温气体分离来说，极具吸引力。然而，聚合物需要在极高的温度（900至1200 °C）下碳化，才能获得用于H2/CO2分离的亚3.3 Å超微孔通道，这使得它们变得易碎，不适用于工业应用。
近日，纽约州立大学布法罗分校Haiqing Lin报道了通过与焦磷酸（H4P2O7，PPA）的协同掺杂和低温热解，可以在PBI中产生分离H2/CO2所需的亚3.3 Å超微孔。
文章要点
1）PBI薄膜首先被不耐热的PPA掺杂，这种PPA通过质子转移和氢键，具有四个酸性质子和交联的PBI链，从而增强了筛分能力。掺杂的PBI称为PBI-PPAx（其中x是定义为PPA与PBI重复单元在薄膜中的摩尔比的掺杂水平）。然后，薄膜在氮气下的温度（TC，°C）下碳化，形成CMS，记为PBI-PPAx/CMSTC。扫描电子显微镜(SEM)能量色散X射线能谱(EDS)分析表明，原始膜和碳化膜中都存在磷元素，成功实现了掺杂。此外，PPA在约200 °C时降解，远低于PBI（约600 °C），在低TC下产生亚3.3 Å的超微孔和微腔，并保持PBI的优异机械性能，从而保持CMS膜的可操作性。
2）研究了PPA掺杂水平和TC对PBI-PPA和PBI-PPA/CMS的物理化学性质和H2/CO2分离性能的影响。TC在500到600 ℃之间变化，比900到1200 ℃的常规值低得多，以保持良好的机械性能。此外，在所研究的样品中，PBI-PPA0.30/CMS600表现出最佳的H2/CO2分离性能，超过了Robeson的上限。样品进一步用含有水蒸气的模拟合成气处理约105 h，证明了其稳定的性能和工业应用的潜力。
这项研究将掺杂与耐热交联剂和低温碳化相结合，为设计具有良好加工性能的稳定的多孔材料提供了一条有效的途径。
参考文献
Leiqing Hu, et al, Tailoring sub-3.3 Å ultramicropores in advanced carbon molecular sieve membranes for blue hydrogen production, Sci. Adv., 2022
DOI: 10.1126/sciadv.abl8160
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl8160
