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25
2026
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05
AFM：基于含芴聚亚胺的碳膜，实现氢气分离
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研究背景
氢气作为一种*、零碳排放的能源载体，在燃料电池、能源回收及储能等领域具有广阔的应用前景，被视为推动从化石燃料向可再生能源转型的关键。目前，工业氢气主要来源于天然气重整、生物质气化或水电解等过程。然而，氢气的纯化与分离是其*利用的关键环节。相比传统的变压吸附（PSA）和低温精馏等方法，膜分离技术因其投资成本低、能效高、环境友好等优势受到广泛关注。
在众多氢气分离膜材料中，钯基膜虽然具有优异的渗透通量和选择性，但钯资源*缺、价格昂贵、易发生氢脆和硫化氢中毒等问题限制了其大规模应用。为此，研究者积极探索替代材料，其中碳膜（CMs）因其结构可调、热稳定性好、分离性能优异而成为研究热点。碳膜通常由聚合物前驱体在惰性气氛下热解制得，其孔径分布在微孔（7–20 Å）和超微孔（<7 Å）之间，兼具高吸附容量和分子筛分能力。然而，目前许多高性能碳膜依赖复杂、昂贵的聚合物前驱体，且常需交联步骤以提高热稳定性，这增加了制备难度和成本，限制了其工业化应用。
因此，开发一种合成简单、成本低廉、无需交联、且具有高热稳定性和良好自由体积结构的聚合物前驱体，是实现碳膜规模化制备的关键。近年来，含芴结构单元的聚亚胺材料因其刚性和扭曲的分子构型，在提高自由体积和气体渗透性方面展现出潜力，成为碳膜研究的新方向。
本文摘要
*的氢气纯化需要兼具高渗透选择性、高渗透通量以及可规模化制备的膜材料。在此，我们报道了一种由含芴聚亚胺衍生的碳膜（CMs）。该聚亚胺前驱体是通过廉价、市售单体经简单、无催化剂的缩合反应合成的。这种线型前驱体具有热稳定性高（Td5% = 470°C；800°C 下残炭率约 43%）和 intrinsically kinked 分子结构，该结构有利于增加自由体积，并在热解后能够形成无缺陷、具有更高气体渗透通量的碳层。碳膜被制备在多孔氧化铝载体上，并在 500、700 或 900°C 下以不同升温速率进行碳化，以研究热解条件对气体传输行为及性能的影响。结构表征（拉曼光谱、XPS、SEM、TEM）揭示了碳骨架的形成，其气体传输机制（选择性吸附/表面扩散或分子筛分）取决于碳化条件。在 700°C 碳化的膜表现出*佳的综合性能，氢气渗透通量高达 5.8 × 10⁻⁷ mol m⁻² s⁻¹ Pa⁻¹，且 H₂/N₂、H₂/CH₄ 和 H₂/CO₂ 的理想选择性超过了 2008 年 Robeson 上限。该平台的简易合成、可重现性和可调性表明，含芴聚亚胺是通向可规模化、高性能氢气纯化碳膜的一条有前景的路线。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/odnC8zu2jKZEHWb6D-VusQ
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