南京工业大学崔朝亮团队ACS:基于纺丝参数优化的COF-1掺杂6FDA-DAM/DABA中空纤维混合基质膜用于增强气体分离性能

本文《COF-1 Incorporated 6FDA-DAM/DABA Hollow Fiber Mixed Matrix Membranes for Enhanced Gas Separation via Spinning Parameter Optimization》是一篇研究论文，主要探讨了通过优化纺丝参数和中空纤维混合基质膜（MMMs）的制备，提升气体分离性能。

内容速览

聚酰亚胺（PI）膜在气体分离中存在渗透性与选择性之间的权衡（trade-off）问题，限制了其应用。为突破这一限制，研究者开发了混合基质膜（MMMs）。

1、研究目标：

合成含COF-1纳米填料的6FDA-DAM/DABA（3:2）聚酰亚胺中空纤维混合基质膜，并通过优化干喷湿法纺丝工艺参数，提升H₂/CH₄和CO₂/CH₄的分离性能。

2、主要方法：

（1）材料合成：合成6FDA-DAM/DABA聚酰亚胺和二维COF-1纳米填料。

（2）膜制备：采用干喷湿法纺丝技术制备纯PI和PI/COF-1中空纤维MMMs。

（3）参数优化：系统研究了空气间隙（15–30 cm）、纺丝头温度（30–80°C）、凝固浴温度（20–70°C）及COF-1掺杂量（5–20 wt%）对膜结构、力学性能和气体分离性能的影响。

（4）表征手段：FT-IR、XRD、SEM、TGA、DSC、N₂吸附-脱附、拉伸测试及气体渗透测试。

3、主要结果：

（1）最佳纺丝参数：空气间隙25 cm、纺丝头温度50°C、NMP凝固浴温度30°C。

（2）最佳COF-1掺杂量：10 wt%。

（3）性能提升：

H₂渗透率：79.3 GPU

CO₂渗透率：54.3 GPU

H₂/CH₄理想选择性：187.9

CO₂/CH₄理想选择性：128.7

相比纯PI膜，H₂/CH₄选择性提高19.7%，CO₂/CH₄选择性提高39.7%。

（4）力学性能：拉伸强度最高达18.13 MPa。

3、结论与意义：

通过系统优化纺丝参数和COF-1掺杂量，成功制备出具有致密选择层和海绵状支撑结构的中空纤维MMMs，显著提升了气体分离性能，突破了传统聚合物膜的渗透性-选择性权衡限制，为氢气纯化和碳捕集等高效分离过程提供了可行的膜材料设计方案。

研究图文

Figure 1、(a) 6FDA-DAM/DABA（3:2）聚酰亚胺的合成路线。(b) COF-1 框架结构及其合成示意图。

Figure 2、干喷-湿法纺丝制备中空纤维膜的装置示意图。

Figure 3、自行搭建的气体渗透测试系统示意图。

Figure 4、合成的 6FDA-DAM/DABA（3:2）聚酰亚胺的表征：(a) 傅里叶变换红外光谱（FT-IR），(b) X射线衍射图谱（XRD），(c) 热重分析曲线（TGA），(d) 核磁共振氢谱（1HNMR）。

Figure 5、COF-1 的表征：(a) 结构示意图（C：灰色，B：橙色，O：红色），(b) 热重分析曲线，(c) 不同放大倍率下的扫描电镜图像。

Figure 6、COF-1 的表征：(a) 傅里叶变换红外光谱，(b) X射线衍射图谱，(c) 氮气吸附-脱附等温线。

Figure 7、不同纺丝条件下制备的中空纤维膜断面扫描电镜图像：(a1–a4) 不同空气间隙距离（15、20、25、30 cm），(b1–b5) 不同纺丝头温度（30、40、50、60、80 °C），(c1–c6) 不同凝固浴温度（20、30、40、50、60、70 °C）。

Figure 8、中空纤维膜的气体渗透率与理想分离性能随以下参数的变化：(a, b) 空气间隙距离，(c, d) 纺丝头温度，(e, f) 凝固浴温度，(g) 示意图：通过优化纺丝参数，膜结构演变为更致密的选择性皮层。

Figure 9、不同条件下的拉伸强度与断裂伸长率：(a) 空气间隙距离，(b) 纺丝头温度，(c) 凝固浴温度，(d) 不同 COF-1 掺杂量。

Figure 10、不同 COF-1 掺杂量的 PI/COF-1 中空纤维混合基质膜的扫描电镜图像：(a1–a3, b1–b3, c1–c3, d1–d3, e1–e3)：高倍断面、整体断面及表面图像。

Figure 11、COF-1 掺杂量对以下方面的影响：(a) 气体渗透率，(b) PI/COF-1 混合基质膜的理想选择性；(c) 气体传输路径示意图：(i) 纯聚酰亚胺膜，(ii) 含有良好分散 COF-1 的混合基质膜。