Uniform Covalent Polymerization of Zirconium–Organic Cages for High-Loading CO 2 Separation Membranes

膜 巴勒 化学 聚合 选择性 共价键 气体分离 化学工程 高分子化学 锆 块(置换群论) 磁导率 渗透 单体 半透膜 膜技术 分离(统计) 聚合物
作者
Junchao Dong,Yonghui Lin,X. Y. Zhang,J. Li,Hu Chen,Stefan Wuttke,Guangshan Zhu,Xiaoqin Zou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (4): 4766-4774 被引量:13
标识
DOI:10.1021/jacs.5c22622
摘要

Metal–organic cages (MOCs), with their well-defined molecular structures and uniform porosity, hold great promise for application in gas separation membranes. However, the aggregation of MOCs in membranes at high loadings during conventional physical blending drastically deteriorates the separation performance. Herein, this study presents a strategy of MOC site-specific polymerization for fabricating uniform, high-loading, and selective membranes for CO 2 separation. An amino-functionalized zirconium MOC (ZrTNH 2 ) is synthesized as the building block and subsequently polymerized with poly(ethylene glycol)diisocyanate (NCO-PEG-NCO) through extensive nucleophilic addition reactions. The resulting ZrTNH 2 -PEG membrane exhibits a remarkable loading of up to 75 wt %, while preserving the discrete structural characteristics of ZrTNH 2 . It exhibits a high CO 2 permeability of 577 Barrer and an exceptional CO 2 /N 2 selectivity of 50 at 298 K and 2 bar, surpassing the latest upper bound and many previously reported MOC-based membranes. This membrane design greatly advances the mixed-matrix concept in membranes and serves as a new starting point for next-generation separation materials.
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