高分子材料科学6月2日讯：膜分离技术具有高选择性、优异渗透性、减少碳足迹、资金投入少和低能耗等方面与传统分离技术相比不可比拟的优点，成为了当前工业界极具研究兴趣的热点领域。在过去的几十年中，聚酰胺膜一直占据膜行业的主导地位，直到多孔有机聚合物（POPs）应用于膜分离领域。POPs具有丰富的孔结构和可调节的官能团等特点，可以用于制备响应快速且精确的分子筛膜。在本综述中，我们首先讨论了分离技术的背景概述，然后简要介绍了多种基于POPs设计的膜和这些膜的详细制备方法。并且重点介绍了POPs基膜在气体分离和液体分离等节能应用方面的最新进展以及相应的实例。最后，我们强调了先进多孔有机聚合物膜这一快速发展领域的巨大潜力，同时概述了该领域在未来发展过程中有可能面临的挑战和机遇。

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589778022000112

研究背景：

多孔有机聚合物 是一类新兴的多孔材料，主要由轻元素构成，如H、B、C、N、O和Si等，这类材料的微孔结构赋予了它们刚性的孔道结构和针对性改造孔环境的可能性。此外，POPs的单元结构通常是通过作用力强且不可逆的化学键相互连接和延展的，因此通常具有比有机无机杂化多孔材料更高的热化学稳定性。此外，由于其永久性的孔隙和易于功能化等特点，POPs在气体存储和分离、异相催化、化学传感、能量转换和储存、药物递送和环境治理等领域都具有广泛的应用前景。其中较为特殊的一类有机多孔聚合物是共价有机框架材料（COFs），尽管COFs是POPs家族里重要的组成部分，但它们主要是由可逆的共价键形成的，允许单体之间在一定条件下可逆聚合。这一特征使得COFs得以从分子水平上形成它们的晶体结构，具有高度有序的孔形状和孔尺寸。另一种具有定制孔隙性的晶体多孔材料金属有机框架材料（MOFs）也已被广泛报道并用于膜的制备，显示出了与传统聚合物膜相比更优越的分子筛选能力。然而，MOF基膜的缺点也很明显，例如与基底支撑的相互作用力较弱，在潮湿环境中其结构/化学稳定性较低，大面积膜的制备条件苛刻，运行寿命短等，这些问题在MOF基膜的实际工业化过程中必须得到有效解决，否则其工业化生产进程会受到极大的限制。除了改进MOF基膜的性能和优化其生长过程外，另一个选项是使用更稳定和可功能化的POPs制备先进的膜以实现有效的化学分离，特别是在液相分离应用中。除了晶态POPs之外，各种非晶态POPs的研究也得到了快速发展，例如共轭微孔聚合物（CMPs）、超交联聚合物（HCPs）、内在微孔聚合物（PIMs）、多孔芳香框架（PAFs）和多孔有机笼（POCs）等，这些研究在过去几十年中推进了多孔有机聚合物膜在分离领域的重要发展（图1）。 

图1. 先进多孔有机聚合物发展的简要时间表

结论与展望

人类社会的繁荣和福祉离不开科学技术和工业生产的进步。工业分离的先进膜技术在整个生产供应链中发挥着重要作用。过去几年中，高性能商业膜的开发蓬勃发展，大量由先进POPs制备的多孔膜已经被设计和应用于现实分离应用中。之外多孔粉体材料也已被用于气体分离，尤其是MOFs，它们具有多样化的孔结构和比其他多孔材料更小的孔，在气体分离研究中得到了充分的探索，表现出了优异的气体分离能力。然而，长时间的柱填料再生、昂贵的合成和较差的耐久性阻碍了它们在现实世界中的大规模应用。与用于分离技术的多孔粉体材料相比，使用多孔膜进行分子筛选在工业中的更具有前途和现实意义。然而，POPs膜的制备技术也颇具挑战性。合格的膜应具有两个基本特性，即表面无缺陷和大规模连续性，然后需要更多的设计改进才能满足特定需求，最后再进行膜的生产制备。因此，本文全面介绍了基于POPs的膜的最新发展，包括先进多孔有机膜的关键特性和制备方法。

晶态POPs（如COFs）的快速发展推动了高性能膜设计及其前沿应用的研究，因为COFs形成的膜通常具有有序的纳米通道、可控的孔结构、大小和可定制的化学或物理膜表面。通过选择合适的单体合成的COFs，可以根据膜应用的具体要求精确定制孔径和孔环境，即通过预设计有机前体或通过后修饰引入所需的功能。除此之外，制备更方便、成本更低的先进COF膜也已提上日程。膜的功能化修饰对于其实际应用也至关重要。众所周知，基于COF的自立膜通常很脆弱，因此，在液-固-液界面上生长COF膜可能是比在两个液体界面上直接生长COF自立膜更具前途的方法。这种策略也可以应用于其他POPs膜的制备，以实现大规模生产具有长使用寿命膜的目标。除了讨论COF膜外，我们也介绍了其他一些基于POPs的膜，并进行了相应的性能评估。尽管探索多孔有机聚合物膜在工业分离应用研究中仍面临较多亟待解决的实际问题，但我们相信这类新型POPs膜的潜力和机会是巨大的。（本刊有删节）详情见高分子材料科学公众号