Zn(II)-modified imidazole containing polyimide/ZIF-8 mixed matrix membranes for gas separations

巴勒 选择性 聚酰亚胺 气体分离 咪唑 化学工程 聚合物 热稳定性 材料科学 高分子化学 化学 有机化学 催化作用 图层(电子) 生物化学 工程类
作者
Yanfang Fan,Huiya Yu,Shan Xu,Qinchen Shen,Hai‐Mu Ye,Nanwen Li
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:597: 117775-117775 被引量:107
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2019.117775
摘要

Finely tailoring the interfacial interaction to minimize the defective structure in the hybrid membranes is a key to yield a mixed matrix membrane with enhanced gas separation performance. Here, a highly selective mixed matrix membrane based on imidazole containing polyimides and ZIF-8 fillers is reported. The ZIF-8 with imidazole linker offers a more compatible interface with imidazole containing polyimides. At a MOF loading of 20 wt. %, the membranes have a 2.2-fold increase in the gas permeabilities over unfilled polymers with exceptional H2/CH4 and CO2/CH4 gas selectivities of 224 and 58, respectively. The H2 and CO2 gas permeabilities are 78.5 and 20.3 Barrer, respectively. The Zn2+ post-modification enables the formation of metal coordination crosslinking with enhanced polymer/ZIF-8 interaction, as indicated by increased glass transition temperature, improved thermal stability and insoluble properties in organic solvents. With the proper control of Zn2+ treatment conditions, gas permeabilities of H2 and CO2 can be increased to 110.1 and 27.4 Barrer, respectively, with the constant H2/CH4 and CO2/CH4 gas selectivity. For membranes treated at higher Zn2+ concentration, an enhancement in H2/CH4 gas selectivity was observed with the selectivity increasing from 223.9 to 318.3 and H2 permeability around 72.3 Barrer. The separation performance of H2/CH4 for all Zn2+ modified membranes exceeds the 2008 Robeson upper bound. This facile approach to tune polymer/MOF interaction via metal ion modification promotes the rational design of high-performance gas separation membranes.
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