Carbazole-Based Polyimide Membranes with Hydrogen-Bonding Interactions for Gas Separation

聚酰亚胺 咔唑 气体分离 高分子化学 氢键 材料科学 化学工程 化学 高分子科学 有机化学 分子 复合材料 工程类 图层(电子) 生物化学
作者
Yuyang Xiao,Xingfeng Lei,Zixiang Zhang,Siyu Chen,Guo Xiong,Xiaohua Ma,Qiuyu Zhang
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
卷期号:57 (12): 5941-5957 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.4c00255
摘要

Cross-linked polymers for gas separation have significant advantages in increasing gas selectivity and separation stability. However, the cross-linking strategies unavoidably form permanent interchain covalent bonds and alter the polymer packing state, which largely decrease polymer solubility, static toughness, and reprocessability. Herein, a secondary-amine-containing diamine (HCBDA) derived from carbazole is synthesized and polymerized with 6FDA to furnish a gas-permeable polyimide (HCB-PI) with a pseudo-cross-linked hydrogen-bonding network and a strengthened charge-transfer complex (CTC) effect. Compared with the hydrogen-bonding free sample (CB-PI), HCB-PI displays a more homogeneous micropore distribution and denser chain packing, as is proven by positron annihilation lifetime spectroscopy, which results in enhanced selectivity for O2/N2 and CO2/CH4 gas pairs and antiplasticization property. Owing to the stronger interaction between the HCB-PI skeleton and molecular oxygen and thus the competitive adsorption mechanism, HCB-PI exhibits more enhanced O2/N2 selectivity in mixed-gas measurements (7.54) than in pure-gas measurements (6.58), with the overall separation property approaching the 2008 Robeson upper bound. Additionally, HCB-PI is heat-resistant and mechanically robust, exhibiting static toughness up to 108 MJ·m–3. Our designing concept for HCB-PI has been demonstrated to be efficacious for oxygen enrichment from air.
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