Tailoring sub-3.3 Å ultramicropores in advanced carbon molecular sieve membranes for blue hydrogen production

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作者
Leiqing Hu,Vinh T. Bui,Ajay Krishnamurthy,Shouhong Fan,Wenji Guo,Sankhajit Pal,Xiaoyi Chen,Gengyi Zhang,Yifu Ding,Rajinder Singh,M. Lupión,Haiqing Lin
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:8 (10) 被引量:71
标识
DOI:10.1126/sciadv.abl8160
摘要

Carbon molecular sieve (CMS) membranes prepared by carbonization of polymers containing strongly size-sieving ultramicropores are attractive for high-temperature gas separations. However, polymers need to be carbonized at extremely high temperatures (900° to 1200°C) to achieve sub-3.3 Å ultramicroporous channels for H2/CO2 separation, which makes them brittle and impractical for industrial applications. Here, we demonstrate that polymers can be first doped with thermolabile cross-linkers before low-temperature carbonization to retain the polymer processability and achieve superior H2/CO2 separation properties. Specifically, polybenzimidazole (PBI) is cross-linked with pyrophosphoric acid (PPA) via H bonding and proton transfer before carbonization at ≤600°C. The synergistic PPA doping and subsequent carbonization of PBI increase H2 permeability from 27 to 140 Barrer and H2/CO2 selectivity from 15 to 58 at 150°C, superior to state-of-the-art polymeric materials and surpassing Robeson's upper bound. This study provides a facile and effective way to tailor subnanopore size and porosity in CMS membranes with desirable molecular sieving ability.
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