Anchoring the Dianhydride Structure to Simultaneously Enhance the Permeability and Selectivity of the Polybenzoxazole Membranes

锚固 膜 选择性 磁导率 化学 高分子化学 生物物理学 化学工程 有机化学 生物化学 生物 工程类 催化作用 结构工程
作者
Ge Wang,Yang Zhang,Yujie Huang,Yuanyuan Wang,Kaihua Li,Long Jiao,Zan Chen,Zhenmin Niu,Minjie Guo,Leixin Yang,Bowen Cheng
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
卷期号:58 (6): 3255-3266 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.4c02723
摘要

The fine structure of microporous polymer materials significantly affects their membrane separation performance. However, the regulation of bulky monomers complicates the precise elucidation of the structure–property relationship in these materials. In this study, we proposed an anchored twisted monomer strategy to achieve atomic-level optimization of polybenzoxazole (PBO) membranes, significantly enhancing the gas separation performance. Based on the pristine dianhydride 4,4′-(hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride (6FDA), the ether-oxygen bonds were precisely introduced to anchor the distorted dianhydride structure. Two hydroxyl-containing polyimides (PIs), 6FCBI (with ether-oxygen bonds) and 6FBI (without ether-oxygen bonds), were synthesized and subsequently converted into PBO thin films (6FCBO and 6FBO) via thermal treatment. The incorporation of ether-oxygen bonds effectively modulates polymer chain rigidity and influences the stacking of PBO chains, resulting in increased free volume and microporosity. Compared to conventional thermal rearrangement membranes, the 6FCBO membranes demonstrate an anti-trade-off effect in gas separation performance, enhancing both gas permeability and selectivity. Notably, 6FCBO achieves a CO2 permeability of 2540 Barrer and a CO2/CH4 selectivity of 28.8, exceeding the 2008 Robeson upper bound. This work provides a precise structural optimization strategy for microporous polymeric materials, offering valuable insights and guidance for the design of advanced gas separation membranes.
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