Tailoring sub-3.3 Å ultramicropores in advanced carbon molecular sieve membranes for blue hydrogen production

碳化 分子筛 聚合物 化学工程 材料科学 气体分离 巴勒 选择性 高分子化学 有机化学 化学 催化作用 复合材料 工程类 生物化学 扫描电子显微镜
作者
Leiqing Hu,Vinh T. Bui,Ajay Krishnamurthy,Shouhong Fan,Wenji Guo,Sankhajit Pal,Xiaoyi Chen,Gengyi Zhang,Yifu Ding,Rajinder Singh,M. Lupión,Haiqing Lin
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:8 (10): eabl8160-eabl8160 被引量:130
标识
DOI:10.1126/sciadv.abl8160
摘要

Carbon molecular sieve (CMS) membranes prepared by carbonization of polymers containing strongly size-sieving ultramicropores are attractive for high-temperature gas separations. However, polymers need to be carbonized at extremely high temperatures (900° to 1200°C) to achieve sub-3.3 Å ultramicroporous channels for H2/CO2 separation, which makes them brittle and impractical for industrial applications. Here, we demonstrate that polymers can be first doped with thermolabile cross-linkers before low-temperature carbonization to retain the polymer processability and achieve superior H2/CO2 separation properties. Specifically, polybenzimidazole (PBI) is cross-linked with pyrophosphoric acid (PPA) via H bonding and proton transfer before carbonization at ≤600°C. The synergistic PPA doping and subsequent carbonization of PBI increase H2 permeability from 27 to 140 Barrer and H2/CO2 selectivity from 15 to 58 at 150°C, superior to state-of-the-art polymeric materials and surpassing Robeson's upper bound. This study provides a facile and effective way to tailor subnanopore size and porosity in CMS membranes with desirable molecular sieving ability.
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