高分子科学前沿7月12日讯：在应对全球气候变化挑战的过程中，碳捕获、利用与封存技术正逐渐成为全球关注的焦点。作为一种“末端处理”策略，燃烧后碳捕获技术在工业排放处理中扮演着至关重要的角色，被视为减少大气中二氧化碳排放的有效手段之一。但传统碳捕获技术，如吸收法和吸附法，由于其高能耗、高昂的初期投资成本以及潜在的环境影响，其应用受到了一定的限制。在此背景下，膜分离技术凭借其能耗低、操作简便和环境友好等显著优势，正逐渐成为替代传统碳捕获技术的优选方案。这种技术不仅能够降低碳捕获过程中的能源消耗，还能简化操作流程，减少对环境的负面影响，为实现更加可持续的碳管理提供了新的可能性。随着技术的不断进步和创新，膜分离技术有望在未来的碳捕获领域发挥更加重要的作用。

在当前的CO2/N2分离技术领域，商业化膜材料主要由传统致密聚合物构成。尽管这些膜材料在工业应用中广泛使用，但它们在透过率和选择性之间存在难以平衡的权衡问题，同时在化学和热稳定性方面的表现也不尽如人意。然而，在过去的十年里，新型材料如微孔聚合物（PIMs）、二维材料（2D materials）和金属有机框架（MOFs）在这一领域取得了突破性进展。这些材料因其丰富的功能化位点、卓越的渗透性和选择性而备受瞩目。尽管如此，这些材料在实际应用中制备成薄膜时，仍面临加工难度大和结构缺陷等挑战。共轭微孔聚合物（CMPs）作为一类具有刚性π共轭骨架和微孔结构的无定形网状聚合物，以其出色的化学和热稳定性在材料科学领域脱颖而出。然而，CMPs在常见有机溶剂中的不溶性，为薄膜的制造带来了不小的挑战。幸运的是，通过电聚合方法可以有效克服这一难题。尽管如此，CMP薄膜在燃烧后碳捕获技术中的应用尚未得到探索和报道。

新加坡国立大学张岁教授领导的研究团队成功制备了基于咔唑的共轭微孔聚合物（CMP）薄膜，用于燃烧后的碳捕获。这一创新成果已在《Advanced Functional Materials》期刊上发表，论文标题为《Control of Microporous Structure in Conjugated Microporous Polymer Membranes for Post-Combustion Carbon Capture》。

CMP薄膜的制备与表征

该研究团队成功地在一个三电极系统中制备了CMP膜。这一过程涉及将碳纳米管（CNT）沉积在商业尼龙-66微孔过滤膜上，作为工作电极。在电场的驱动下，单体经历氧化反应，生成咔唑阳离子自由基，从而触发聚合反应。通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）的细致观察，研究人员发现CMP膜的截面和表面形貌显示出密集排列的半球形电聚合聚合物颗粒，这些颗粒的尺寸约为几十纳米，而整个膜的厚度仅为几百纳米。这一发现揭示了CMP膜的沉积过程遵循了成核和生长机制，其中颗粒间的空隙在固态生长过程中逐渐融合，形成了平整的边界。

图1. PTCB复合膜的制备流程及形态特征。a) TCB单体的化学结构（左侧）和PTCB重复单元的结构（右侧）。中间的图示描述了在循环伏安扫描过程中单体的氧化、二聚化以及还原反应的机理。b) PTCB电聚合过程中的循环伏安曲线。c) TCB单体和PTCB膜的固态13C核磁共振（NMR）光谱图。d) PTCB复合膜的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像。e) PTCB复合膜横截面的高倍放大SEM图像。f) PTCB复合膜表面的SEM图像。

CMP薄膜的气体分离性能

在对膜材料的气体分离能力进行细致评估的过程中，研究团队开展了气体渗透性测试。测试结果揭示，在经过合成条件的优化之后，该膜的CO2渗透率显著提升至1134 GPU，同时保持了22.5的CO2/N2选择性。这些数据有力地证实，通过精确调控聚合度和微孔结构，能够显著增强膜的气体分离效率。随着研究的深入，预计通过提高CMP膜层之间的相容性以及调整聚合度，CMP膜的性能将得到进一步的优化。（本刊有删节）详情见高分子科学前沿公众号