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Design and Performance Evaluation of 6FDA-Based Polyimide Membranes for Enhanced CO2/CH4 Separation: Insights from Molecular Dynamics Simulations

膜 选择性 巴勒 渗透 溶解度 聚酰亚胺 气体分离 分子动力学 磁导率 热扩散率 化学工程 甲烷 化学 材料科学 纳米技术 热力学 有机化学 计算化学 催化作用 物理 工程类 生物化学 图层(电子)
作者
Fuquan Teng,Yang Yang,Qingwei Gao,Zengxi Wei,Yingcheng Li,Jing Cui,Shuangliang Zhao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:129 (33): 8548-8560
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.5c03329
摘要

The development of high-performance polyimide (PI) membranes for efficient gas separation is of great importance, yet challenging. Herein, we design 17 6FDA-based PI membranes and employ molecular dynamics (MD) simulations to investigate their carbon dioxide (CO2) /methane (CH4) separation performance. The 6FDA-Durene membrane emerges as a standout candidate, with a mean pore size (MPS) of 5.12 Å, achieving a CO2 permeability of 13,271.40 Barrer and a CO2/CH4 selectivity of 26.87, surpassing the 2019 upper bound. Further analysis reveals that the steric effect in ultramicropores is favorable for improving CO2 selectivity, while the combination of outstanding gas diffusivity and high-effective gas solubility in larger pores enables this optimal membrane to exceed the upper bound. When the MPS is increased to 7.06 Å, the CO2 permeability is improved by approximately 5-fold (up to 66,552.28 Barrer), while the CO2/CH4 selectivity dropped to 5.08 (below the 2008 upper bound). This reduction in selectivity is a consequence of the decline in both gas diffusivity and gas solubility. This study emphasizes the crucial relationship between membrane structures and separation efficiency, offering invaluable insights for the development of advanced PI membranes with enhanced selective transport performance.
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