Highly Stable Polybenzimidazole Composite Membrane with a Durable Separation Layer by Interfacial Polymerization

材料科学 聚合 水溶液 薄膜复合膜 分散性 界面聚合 化学工程 复合材料 聚酰胺 双水相体系 高分子化学 聚合物 有机化学 单体 化学 反渗透 工程类 生物化学
作者
Congzhi Deng,Zhenying Zheng,Shengli Chen,Wenjing Lu,Xianfeng Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (28): 40594-40604 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.5c10087
摘要

Thin-film composite (TFC) membranes prepared by interfacial polymerization have been widely used for membrane separation. However, the most commonly used polyamide-TFC membranes suffer from relatively low stability due to the hydrolysis of amido bonds in aqueous acidic or alkaline media. Herein, we report a highly stable polybenzimidazole (PBI)-TFC membrane using the interfacial condensation reactions between 3,3'-diaminobenzidine (DAB) in the aqueous phase and benzene-1,3,5-tricarbaldehyde (BTA) in the organic phase. By decreasing the pH of the aqueous phase, the dispersity of DAB molecules at the oil-water interface is enhanced, boosting DAB-BTA reactions to form a denser and thinner PBI film of around 296 nm. The synergistic effects of the PBI film thickness and packing conformations of PBI chains produce a permeable (area resistance: 0.11 Ω cm2) and selective (permeability: 2.27 × 10-6 cm2 h-1) PBI-TFC membrane, which can keep the structure stable in strongly acidic and oxidizing aqueous conditions. Exemplified in an aqueous acidic vanadium flow battery, it displays a high energy efficiency of >80% at 160 mA cm-2, which runs stably for over 300 cycles, confirming the stability and reliability of PBI-TFC membranes. This membrane design approach offers an effective strategy to enhance the permeability, selectivity, and stability of TFC membranes.
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