基于空间位阻芳香二酸（2CzPA）增强Pebax混合基质膜的CO2传输性能研究

本研究通过将空间位阻型4,5-双(9H-咔唑-9-基)邻苯二甲酸（2CzPA）作为填料引入聚醚嵌段酰胺（Pebax）基质，构建了兼具高CO2渗透性（227.51 Barrer）和选择性（CO2/N2～48.20）的混合基质膜（MMMs）。2CzPA的双羧基（-COOH）通过氢键增强膜机械性能，其扭曲咔唑结构破坏PEO链段堆积，协同提升CO2溶解-扩散传输，为温室气体分离提供新策略。

　　

Highlight

本研究采用空间位阻型4,5-双(9H-咔唑-9-基)邻苯二甲酸（2CzPA）作为填料，与聚(酰胺-b-环氧乙烷)（Pebax）复合制备混合基质膜（MMMs）。2CzPA的双羧基（-COOH）与渗透的CO₂分子发生相互作用，提升其在聚合物基质中的溶解度；而两个体积庞大的双咔唑单元能扰乱Pebax中软质聚环氧乙烷（PEO）链段的堆积，从而改善气体扩散性。红外分析证实2CzPA的羧基与Pebax的酰胺基团间存在氢键，这有助于增强膜的热稳定性和机械性能。

Chemicals and materials

咔唑、4,5-二氯邻苯二甲腈和氟化铯（CsF）购自Sigma-Aldrich韩国公司，Pebax MH-1657由Arkema公司提供。

Synthesis and characterization of 4,5-bis(9H-carbazol-9-yl)phthalic acid (2CzPA)

2CzPA通过两步反应合成：首先在CsF催化下，4,5-二氯邻苯二甲腈与咔唑发生亲核取代生成4,5-双(9H-咔唑-9-基)邻苯二甲腈（2CzPN），随后在KOH作用下水解得到目标产物（反应流程见图S1a）。核磁共振（¹H/¹³C NMR）和质谱验证了产物结构，X射线衍射显示其扭曲构型（二面角约60°），这种空间位阻特性是改善膜性能的关键。

Conclusion

在Pebax基质中加入2 wt% 2CzPA后，膜的拉伸强度从14.2 MPa提升至18.6 MPa，CO₂渗透性增长38%（227.51 Barrer），且保持优异的CO₂/N₂（～48.20）和CO₂/CH₄（～15.60）选择性。该膜在100天老化测试中性能稳定，证实其工业化应用潜力。