Effect of a Fe-Doped g-C 3 N 4 Filler on Biogas Separation Performance in Polymers of Intrinsic Microporosity (PIM-1)

材料科学 聚合物 化学工程 气体分离 兴奋剂 磁导率 纳米材料 沼气 选择性 复合材料 聚苯乙烯 基质(化学分析) 填料(材料) 碳纤维 气体扩散 聚砜 机械强度 多孔性 微球 渗透 促进扩散
作者
Kavya Adot Veetil,Senthil Kannan,Eun Kyu Sun,Md. Homayun Kabir,Ook Choi,Tae-Hyun Kim
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
卷期号:8 (6): 4068-4079
标识
DOI:10.1021/acsapm.5c04481
摘要

Integrating nanomaterials with tunable surface functionalities into polymer matrices offers a promising route for developing high-performance mixed matrix membranes (MMMs). Among these, graphitic carbon nitride (g-C3N4) facilitates gas transport and enhances membrane permeability due to its intrinsic nanopores. However, while improving the CO2 permeability, pristine g-C3N4 often compromises the CO2/CH4 selectivity. To address this trade-off, iron-doped g-C3N4 (Fe-g-C3N4) was incorporated into a polymer of intrinsic microporosity (PIM-1), possessing a high free volume and excellent gas diffusion characteristics. Iron doping served to increase the CO2-philicity of g-C3N4 and strengthen its interaction with the CO2 molecules, thereby improving both permeability and selectivity. The resulting Fe-g-C3N4/PIM-1 MMMs demonstrated enhanced CO2 permeability and CO2/CH4 selectivity, indicating their potential for use in CO2 separation applications. Incorporating 0.5 wt % Fe-doped g-C3N4 into the PIM-1 matrix led to a 38.5% increase in CO2 permeability compared to pristine PIM-1 and a 12.7% improvement over the undoped g-C3N4-based MMM. While undoped g-C3N4 reduced the CO2/CH4 selectivity, Fe doping had the reverse effect, enhancing the selectivity by 7.2% relative to the undoped system. Notably, the Fe-g-C3N4/PIM-1 MMMs approach the 2008 Robeson upper bound for the CO2/CH4 separation. In addition, the membrane exhibited improved mechanical strength and antiaging and antiplasticization characteristics, collectively outperforming pristine PIM-1.

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