据高分子科学前沿微信公众平台2019年7月20日讯 PEO是一类具有较强CO₂亲和性的聚合物材料，是一种理想的CO₂分离膜材料。PEO材料对CO₂分子的强亲和性源自于PEO分子链中的醚氧重复单元与CO₂分子之间的偶极——四极作用。然而，纯PEO材料由于链段高度规整，容易形成高分子结晶，结晶极大地降低了PEO的自由体积，严重影响了气体分子在PEO中的溶解与扩散。因此，研究中常采交联、共混、杂化、前段共聚等方法来抑制PEO分子的结晶，以提高PEO材料的气体传输性能。其中，交联是最常用、最有效的提高PEO分离膜性能的方法，但目前大多数交联PEO分离膜的CO₂渗透通量都较低。邵路课题组在前期研究中开发了一种基于紫外交联PEO体系的半互穿网络分离膜，在紫外交联PEO中原位引入了低分子量的线性PEO分子，一举将PEO基分离膜的CO₂渗透通量提高到2980 Barrer（Energy Environ. Sci., 2017, 10, 1339-1344）。然而，由于低分子量线性PEO分子的流动性，削弱了这种高渗透性能的PEO在高压测试环境下的结构稳定性。
　　为了克服半互穿网络PEO膜机械性能较差的难题，哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室成员、化工与化学学院邵路教授团队受到植物根系的启发，在最新的研究成果中设计了一种新型含有支化PEO互穿分子链的半互穿网络分离膜（BSI）。

图中为BSI膜的制备流程及化学结构

　　低分子量PEO掺杂的半互穿网络结构稳定性较差的主要原因是线性的PEO分子与交联网络之间难以形成稳定的缠结，结构较为松散。因此在支化半互穿分离膜中摒弃了线性的PEO分子，而是采用两步法，首先制备出具有优异PEO溶胀性的热交联PEO膜，再将双官能度的低分子量PEO单体浸渍进入热交联PEO交联网络中，最终通过原位二次聚合在交联PEO网络中形成了具有支化结构的PEO互穿分子链，形成了新型的支化半互穿网络结构。支化的PEO分子与交联网络之间可以形成牢固的动态缠结，从而提高了交联体系的机械强度和结构稳定性。另外，支化PEO的分子侧链在交联网络中依然保持着优异的运动能力，对交联网络起到塑化、增大自由体积和提高醚氧单元浓度的作用，进而促进了交联膜的CO₂渗透能力。
　　原位形成的支化分子与能够与热交联PEO网络之间形成有效的多重动态缠结，从而大幅度增强了交联网络的拉伸强度和韧性。BSI分离膜的拉伸强度最高增大1.5倍，同时断裂伸长率也大幅增加。

图a.和图b.为不同支化分子含量下BSI膜的应力应变曲线，图c.为BSI膜在拉伸状态下的断裂机理

　　BSI膜的气体渗透通量随支化分子含量单调递增。当采用Jeffamine ED-2003作为交联剂时，BSI膜的CO₂渗透通量最高增加了249%，达到1472.6 Barrer，并且保持优异的CO₂/N₂和CO₂/H₂选择性。同时该BSI分离膜具有优异的长期稳定性，100小时的测试时长内气体分离性能几乎无衰减。CO₂/H₂和CO₂/N₂分离性能实现了对2008 upper bound的超越，展现了优异的综合性能和巨大的应用潜力。

　　综上，简单地通过在热交联PEO网络中原位形成支化PEO分子的方法，邵路课题组成功实现了对PEO半互穿网络分离膜的气体渗透性能和力学性能的同时提高，这种方法对高性能半互穿网络分离膜的设计加工具有一定指导意义，同时也拓展了半互穿网络分离膜的应用范围。该研究成果作为背封面发表在材料化学A杂志上。

论文封面

　　邵路教授一直从事膜材料与膜分离的研究，在Energy Environmental Science、Journal of Membrane Science、Nature Communications、Matter等国际期刊上发表了100余篇相关论文，所发文章曾入选ESI热点文章3篇、ESI高引文章15篇，SCI引用3900余次、H-index=37。