天津大学刘新磊教授: 聚苯并咪唑（PBI）和苯并咪唑连接聚合物(BILP)膜的研究进展

文章导读

分离过程是生物制药、食品、农业、化学和石化工业的基础。膜分离具有能耗低、占地面积小及环境友好等特点。目前，鉴于聚合物膜的成本低和可加工性高，市场上以聚合物膜为主导。

天津大学刘新磊教授等人总结了近年来聚苯并咪唑（PBI）和苯并咪唑连接聚合物(BILP)膜的研究进展。文章发表在Green Chemical Engineering（GreenChE），题为“Polybenzimidazole (PBI) and benzimidazole-linked polymer (BILP) membranes”（doi.org/10.1016/j.gce.2020.11.007）

文章亮点

1.总结了PBI和BILP材料的形成、结构和性质。

2.总结了PBI和BILP膜的制备方法和应用。

3.分析了膜结构和性能之间的关系并展望了未来的发展方向。

内容概述

PBI是一类杂环聚合物，其中苯并咪唑为聚合物重复性结构单元的一部分。Marvel等人在上世纪60年代最早报道了此类材料。依赖于聚合物链之间的强氢键和π-π相互作用，PBI通常表现为具有紧密堆积的链结构的刚性棒状聚合物。这种结构使PBI具有出色的化学和热稳定性。在这个工作中，我们分别总结了PBI（包括修饰的和交联的）在反渗透（最早于1970年代）、渗透汽化（2006）、有机溶剂纳滤（2010）和苛刻的条件下气体分离（1995）和燃料电池（1995）中的应用（图1）。

图1. PBI和BILP材料和膜的研究进展图。

PBI膜因筛分能力强而被用于气体分离。 PBI的溶解性差使它们在有机溶剂纳滤过程中表现出色。此外，各种化合物也可用于交联这些PBI膜（图2），从而进一步提高性能。最近，由于苯并咪唑骨架的高亲水性和质子接受能力，PBI膜已用于水处理。二元羧酸可以修饰聚合物结构并减小PBI膜的孔径，从而提高选择性。此外， PBI膜还用于渗透汽化有机溶剂脱水。PBI膜在低湿度下具有高电导率和高热稳定性，被广泛用于燃料电池。掺酸的PBI膜在燃料电池行业取得商业化应用。

图2. 代表性PBI（a），修饰的PBI（b），PBI的交联剂（c）和交联的PBI（d）的化学结构。

BILP是一种多孔有机框架材料（POF），可以在DMF中通过缩合芳基-邻-二胺和醛来合成。BILP中也含有重复性苯并咪唑结构单元且含有丰富的同系物（图3）。BILP膜的制备主要是采用界面聚合法。该方法制备得到的膜结构较为紧密，对H₂/CO₂等气体分离表现出优异的分离性能（图1）。

图3. 代表性BILP的化学结构。

总结及展望

PBI和BILP具有结构多样性和高热和化学稳定性。此类材料主要采用流延、溶胶-凝胶、相转化和界面聚合法制备成膜，并通过交联、酸掺杂、聚合物混合和热处理等方法提高膜的性能。PBI膜已被广泛用于气体分离（包括BILP膜）、有机溶剂纳滤、水处理、渗透汽化和高温质子交换。BILP的出现和界面聚合法在制备此类分离膜中的可行性将进一步促进此类材料在上述分离领域中的应用。

文章信息

Title：Polybenzimidazole (PBI) and benzimidazole-linked polymer (BILP) membranes

Authors：Shenzhen Cong, Jixiao Wang, Zhi Wang, Xinlei Liu*

DOI:10.1016/j.gce.2020.11.007

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原文链接: https://doi.org/10.1016/j.gce.2020.11.007

通讯作者简介

刘新磊，天津大学化工学院教授、博士生导师、国家级青年人才，化学工程联合国家重点实验室、天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室科研骨干。博士毕业于中科院大连化物所，之后在英国伦敦帝国理工学院和荷兰代尔夫特理工大学从事博士后研究，2019年加入天津大学，任教授。主要研究方向为膜分离、吸附分离、多孔框架化学、清洁能源过程、环境污染防治。主持/参与国家自然科学基金、欧盟、英国及企业项目7项，项目经费总额达1.5亿元。已发表SCI论文31篇，包括Sci. Adv., Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等15篇第一或通讯作者论文。SCI他人引用2200余次。曾获中科院院长奖，入选天津大学“北洋学者英才计划”

期刊简介

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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