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2026

Advanced Materials｜具有优异渗透汽化性能的闭环化学可回收分离膜

作者：

英文题目：

Closed-Loop Chemically Recyclable Separation Membranes With Superior Pervaporation Performance

具有优异渗透汽化性能的闭环化学可回收分离膜

期刊信息： Advanced Materials

发表时间：2026年6月9日接收发表

DOI: 10.1002/adma.202673725

摘要内容：

膜技术是一种节能的分离工艺，具有低碳足迹和减少二次污染的优势，但聚合物膜的寿命终止处置问题仍然突出。本研究提出了一种光触发动态聚二甲基硅氧烷（PDMS）网络设计，实现了具有优异渗透汽化性能的闭环可回收分离膜。该动态网络通过365 nm紫外光下蒽基接枝PDMS的[4+4]光二聚反应构建，而254 nm紫外光则可将交联膜转化为线性聚合物。这种简便的解构过程在室温下35分钟内即可完成，回收测试表明，PDMS网络可在10分钟内*重构，蒽基团转化率达92.6%。该膜的渗透汽化分离指数（PSI）高达13,285，超越了目前报道的*PDMS基膜。即使经过五次固液转换循环，回收膜仍保持*的乙醇回收性能，通量和分离因子与原始膜相比仅有微小偏差。此外，该动态网络还展示了*的自修复能力，可针对微小缺陷保持渗透汽化性能。这种闭环化学可回收分离膜的设计原理，为可扩展且适应多种分离需求的膜技术提供了新策略。

研究背景和意义：

分离过程约占化工行业能耗的一半，膜技术因其低碳足迹和低二次污染被视为*具吸引力的节能分离手段，例如与传统精馏相比，膜分离回收高价值有机物可降低40%–60%的能耗。然而，商业聚合物膜通常寿命不足10年，报废后多采用填埋或焚烧处理，既不经济也不环保。传统分离膜中的*化学交联键键能高、难以断裂，是膜材料闭环回收的关键瓶颈。尽管基于动态共价键的闭环化学回收（CCR）在弹性体、纤维和塑料等领域取得进展，但现有策略大多依赖热触发过程，需要高温、长时间或复杂后处理，能耗较高。虽然光触发化学反应具有快速活化、位点可控和室温操作的优势，有望克服热过程的动力学限制，但将光触发固液转换（SLC）用于设计具有闭环可回收性且功能保持的分离膜，此前尚未见报道。本研究针对上述问题，提出了一种基于蒽功能化聚二甲基硅氧烷（Anth-PDMS）的光触发动态网络设计：利用365 nm和254 nm波长选择性光照实现可逆交联/解交联，无需催化剂或添加剂即可在室温下完成膜的快速制备、解构与重构；同时，刚性的蒽二聚体作为分子间隔基，在提供动态可逆性的同时创造了额外的传输通道，赋予膜优异的渗透汽化分离性能与自修复能力，为可持续膜分离技术提供了新范式。

实验步骤：

首先合成蒽功能化的硅烷交联剂Anth-IPDS：将834 mg（4.0 mmol）9-蒽甲醇（9-Anth）、1.1 mL 3-异氰酸酯丙基甲基二甲氧基硅烷（IPDS）和2 mL三乙胺溶解于15 mL二氯甲烷中，在氩气保护下搅拌反应24小时，反应结束后通过真空蒸发除去二氯甲烷，并用正己烷洗涤得到纯化的Anth-IPDS。随后，将Anth-IPDS与羟基封端PDMS以及催化剂二丁基锡二月桂酸酯共同溶解于乙酸乙酯中，持续搅拌48小时，使Anth-IPDS的甲氧基与PDMS末端的羟基充分缩合反应，得到可交联的Anth-PDMS预聚物。最后，采用Elcometer 4340自动涂膜器将上述溶液以1 cm/s的涂布速度均匀浇铸在多孔超滤（UF）基底表面，随后立即置于365 nm紫外光下照射，使蒽侧基发生[4+4]光二聚反应，快速形成交联网络（CL-Anth-PDMS），即得到具有致密选择性表层的薄层复合分离膜。

主要结果和结论：

该动态膜在365 nm紫外光下10分钟内即可实现91.3%的蒽基团转化率，完成液-固转换；在254 nm光照下35分钟内即可在室温下于乙酸乙酯中解构为可溶性线性聚合物，完成固-液转换。经五次闭环回收后，材料化学结构保持不变，交联密度偏差仅3.6%，重组膜在5 wt%乙醇/水体系（60°C）中的分离因子和通量波动分别低于3.5%和5.6%。膜的渗透汽化分离指数（PSI）高达13,285，远超现有先进PDMS膜，并在120小时连续运行及80°C苛刻条件下保持稳定。此外，膜可通过"254 nm软化-365 nm重构"实现自修复，三次损伤-愈合循环后分离因子仍可恢复至原始的82.6%。研究还成功制备了25 cm × 60 cm的大面积膜，证实其良好的可放大性，且对甲醇、异丙醇、正/仲/叔丁醇、苯酚、甲乙酮肟、乙二醇单丁醚及乙酸乙酯等多种有机-水混合物均表现出*稳定的分离性能。

详细机理：

该体系的核心机理基于蒽的可逆光二聚化反应。在365 nm光照下，蒽基团吸收光子跃迁至激发态，体系克服约32.0 kcal/mol的能垒，通过[4+4]环加成形成二聚体（产物能量较反应物低9.4 kcal/mol），同时蒽的特征荧光显著猝灭（HOMO-LUMO能隙从5.38 eV增至7.35 eV以上），红外光谱中735 cm⁻¹处蒽特征峰减弱，证实交联网络形成。这些蒽二聚体作为刚性分子间隔基，增大了聚合物链间距和自由体积，为乙醇分子（动力学直径0.45 nm）提供了额外的选择性传输通道：乙醇通过PDMS疏水甲基及IPDS烷基链的范德华作用被优先吸附，并在增大的自由体积中快速扩散；而水分子（0.27 nm）虽尺寸更小，但因膜疏水性和尺寸筛分效应被有效阻隔。当切换至254 nm光照时，高能光子打断二聚体中的C-C σ键（独立梯度模型IGMH计算显示相互作用从强共价键转变为弱范德华力，蒽环间距从1.61 Å增至3.80 Å），交联网络解构，恢复线性聚合物结构，实现固液转换。这种波长选择性的"成键-断键"机制，配合PDMS本身低玻璃化转变温度带来的快速链段运动，共同赋予了材料*的室温可回收性、自修复性以及*的分子分离性能。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/BtD1NQCqD4que7TL_cWrfw