二维/三维多孔材料协同增强6FDA-DAM聚酰亚胺膜的CO2分离性能与抗老化特性

本文推荐一种创新性混合基质膜（MMM）设计：通过将二维六方氮化硼（h-BN）与三维多孔镍铁氰化物（NiHCF）同时引入6FDA-DAM聚酰亚胺基质，显著提升CO2渗透性（↑14.3%）和CO2/N2选择性（↑7.1%），并有效抑制聚合物链重排导致的物理老化（老化15个月后性能衰减降低8-10%），为突破罗宾逊上限（Robeson upper bound）提供新策略。

　　

Highlight

本研究通过在高渗透性6FDA-DAM（DAM=2,4,6-三甲基-间苯二胺）聚酰亚胺基质中同步引入二维六方氮化硼（h-BN）和三维普鲁士蓝类似物（NiHCF）作为双填料，制备出混合基质膜（MMM）。h-BN通过构建曲折气体扩散路径提升混合气体选择性，而NiHCF则利用其活性位点与CO₂的相互作用同步增强渗透性和选择性。

材料与试剂

合成6FDA-DAM聚合物所需原料购自Sigma-Aldrich（美国），包括6FDA（4,4'-六氟异亚丙基二邻苯二甲酸酐）、醋酸酐（Ac₂O）、DAM和三乙胺（TEA）。添加剂制备采用粒径约1μm的氮化硼（BN）、六水合硝酸镍（Ni(NO₃)₂·6H₂O）和铁氰化钾（K₃[Fe(CN)₆]）。

纳米填料表征

透射电镜显示h-BN纳米片呈六边形结构（150-300nm），层数从单层至35层（厚度约11.6nm）；NiHCF则展现典型立方孔隙结构，其3D孔道为CO₂传输提供了高效路径。

结论

双填料MMM使CO₂渗透性提升32%，CO₂/N₂选择性提高14%。在15个月老化后，纯6FDA-DAM膜的CO₂渗透性下降64.3%，而含2wt% h-BN和5.5wt% NiHCF的MMM仅下降56.3%，证实填料可稳定聚合物孔结构并抑制自由体积损失。