Tunable Supramolecular Cavities Molecularly Homogenized in Polymer Membranes for Ultraefficient Precombustion CO2 Capture

材料科学 聚合物 超分子化学 纳米复合材料 纳米孔 化学工程 超分子聚合物 纳米技术 分子 有机化学 复合材料 化学 生物化学 工程类
作者
Ji Wu,Can Zeng Liang,Ali Naderi,Tai‐Shung Chung
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (3): e2105156-e2105156 被引量:43
标识
DOI:10.1002/adma.202105156
摘要

Processable molecular-sieving membranes are important materials for realizing energy-efficient precombustion CO2 capture during industrial-scale hydrogen production. However, the promising design of mixed matrix membranes (MMMs) that aims to integrate the molecular-sieving properties of nanoporous architectures with industrial processable polymers still faces performance and fabrication issues due to the formation of segregated nanofiller domains in their polymer matrices. Here, an unconventional nanocomposite membrane design is proposed using soluble organic macrocyclic cavitands (OMCs) with tunable open cavity sizes that not only mitigate the formation the discrete nanofiller phases but also deliver distinct molecular-sieving separations. The versatile organic-solvent solubility coupled with highly interactive functionalities of OMCs allows them to obtain molecularly homogeneous mixing with matrix polymers and form only one integral continuous phase crucial to the robust processability of polymers. A series of polybenzimidazole-based molecularly mixed composite membranes (MMCMs) are fabricated via the incorporation of a soluble and thermally stable OMC choice, sulfocalixarenes, with various cavity sizes. These membranes achieve outstanding high-temperature mixed-gas H2 /CO2 separation performances comparable with several state-of-the-art molecular-sieving membranes owing to effective size-sieving gas passages through the open or partially-intruded supramolecular cavities. The broadly tunable structures and functionalities of OMCs would make their MMCMs attractive for other energy-intensive molecular separations.
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