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Molecular Simulation of Ionic Polyimides and Composites with Ionic Liquids as Gas-Separation Membranes

离子液体 吸附 溶解度 气体分离 聚合物 化学工程 化学 离子键合 分子 材料科学 物理化学 高分子化学 有机化学 离子 生物化学 工程类 催化作用
作者
Asghar Abedini,Ellis Crabtree,Jason E. Bara,C. Heath Turner
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:33 (42): 11377-11389 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.7b01977
摘要

Polyimides are at the forefront of advanced membrane materials for CO2 capture and gas-purification processes. Recently, ionic polyimides (i-PIs) have been reported as a new class of condensation polymers that combine structural components of both ionic liquids (ILs) and polyimides through covalent linkages. In this study, we report CO2 and CH4 adsorption and structural analyses of an i-PI and an i-PI + IL composite containing [C4mim][Tf2N]. The combination of molecular dynamics (MD) and grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulations is used to compute the gas solubility and the adsorption performance with respect to the density, fractional free volume (FFV), and surface area of the materials. Our results highlight the polymer relaxation process and its correlation to the gas solubility. In particular, the surface area can provide meaningful guidance with respect to the gas solubility, and it tends to be a more sensitive indicator of the adsorption behavior versus only considering the system density and FFV. For instance, as the polymer continues to relax, the density, FFV, and pore-size distribution remain constant while the surface area can continue to increase, enabling more adsorption. Structural analyses are also conducted to identify the nature of the gas adsorption once the ionic liquid is added to the polymer. The presence of the IL significantly displaces the CO2 molecules from the ligand nitrogen sites in the neat i-PI to the imidazolium rings in the i-PI + IL composite. However, the CH4 molecules move from the imidazolium ring sites in the neat i-PI to the ligand nitrogen atoms in the i-PI + IL composite. These molecular details can provide critical information for the experimental design of highly selective i-PI materials as well as provide additional guidance for the interpretation of the simulated adsorption systems.
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