Atomically Fine-Tuning Organic–Inorganic Carbon Molecular Sieve Membranes for Hydrogen Production

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作者
Leiqing Hu,Won‐Il Lee,Kai Chen,Soumyabrata Roy,Kieran Fung,Kim Kisslinger,Erda Deng,Yifu Ding,Pulickel M. Ajayan,Chang‐Yong Nam,Haiqing Lin
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (4): 4663-4671 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c15126
摘要

Polymeric membranes with great processability are attractive for the H2/CO2 separation required for hydrogen production from renewable biomass with carbon capture for utilization and sequestration. However, it remains elusive to engineer polymer architectures to obtain desired sub-3.3 Å ultramicropores to efficiently sieve H2 from CO2. Herein, we demonstrate a scalable way of carbonizing polybenzimidazole (PBI) at low temperatures, followed by vapor phase infiltration (VPI) to atomically narrow ultramicropores throughout the films, forming hybrid organic–inorganic carbon molecular sieves (CMSs). One VPI cycle (100 s) for the PBI carbonized at 500 °C remarkably increases H2/CO2 selectivity from 9.6 to 83 at 100 °C, surpassing Robeson’s upper bound. The CMS demonstrates a stable H2/CO2 separation performance when challenged with simulated syngas streams and can be fabricated into thin-film composite membranes, outperforming state-of-the-art membranes. The scalable approach can be ubiquitous to molecularly fine-tune ultramicropores of leading polymeric membranes to further improve their size-sieving ability and thus separation efficiency.
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