基于“可控”表界面工程的聚合物纳滤膜

复合纳滤膜凭借其效率高与能耗低的特点在分离膜领域占据着越来越重要的地位. 但其制备所面临的最大挑战在于如何实现选择性皮层构建过程及结构性能的有效调控.通过"可控"的表界面工程可以实现对界面性质及界面反应速率的调控,从而实现复合纳滤膜的可控制备和性能提升.因此,我们提出通过""可控"聚合-界面沉积"构建选择性皮层以实现复合纳滤膜分离层的创新制备和多功能化、基于"基膜-单体溶液界面构建"调控界面聚合以获得更薄分离层和更优异的纳滤性能.本文总结和评述了基于"可控"表界面工程的聚合物纳滤膜的重要进展,分析了该领域的未来研究方向,旨在为高性能复合纳滤膜的可控制备提供系统的方法学及理论支持.     

共轭微孔聚合物膜的制备策略及其分离应用

降低工业分离过程的能耗为缓解全球能源紧缺问题提供了有效途径. 相比传统工业分离技术, 膜分离技术能耗低、经济效益高, 开发高效的膜材料是提升膜分离性能的重要手段. 共轭微孔聚合物(CMP)膜具有刚性永久超微孔道、高孔隙率、孔结构及化学环境可调控、交联骨架稳定性好等优势, 在分离领域具有良好的应用前景. 概述了近年来CMP膜的制备方法并简要对比了其优缺点, 阐述了CMP膜在气体分离、有机溶剂纳滤、离子筛分和手性分离等领域的分离机理和研究进展, 为开发新型具有良好分离性能的CMP膜材料提供研究思路.     

基于静态呼吸图技术的图案化方法

对呼吸图技术制备二维有序多孔结构的研究进展进行了综合评述, 并重点介绍了本课题组发展的静态呼吸图技术. 利用静态呼吸图法, 可制备高度有序的聚合物、聚合物/无机物微孔膜. 这些有序的结构可以直接应用于光掩膜. 进一步, 多孔聚合物膜可以被紫外光交联和改性. 表面改性的多孔聚合物膜可以用于细胞支架. 而交联的聚合物/无机物前驱体微孔膜可以用来制备无机纳米材料阵列. 结果表明, 静态呼吸图技术是一种简单、高效的对聚合物、聚合物/无机物薄膜进行图案化的通用方法,并展示了图案化薄膜广阔的功能化前景.     

二维碳纳米薄膜制备的新途径——由自组装膜到石墨烯

本文描述了芳香族分子作为自组装单分子膜(SAMs)前驱体在电子辐照下引发芳香基团交联,在真空或惰性气氛中转化为具有较高热稳定性的碳纳米薄膜(CNMs)。CNMs具有足够的机械强度,可从其基底表面转移作为独立的薄膜材料,经高温淬火后转化为石墨烯。根据制备条件,如芳香分子前驱体的化学结构、电子辐照和淬火参数等,可以调整所制得的石墨烯的形状、结晶度、厚度、孔径等各种性能。各种芳香族硫醇,如低环及多环芳烃碳氢化合物,获得的CNMs的结构和功能由其单分子膜的结构所决定。本文详细讨论了电子辐射诱导SAMs芳香分子交联反应的机理。CNMs/石墨烯异质结构的非破坏性化学功能化组装为CNMs/石墨烯在电子、光子器件以及生物膜中的应用开辟了一条灵活的途径。     

超交联微孔聚合物的制备及其应用的研究进展

超交联微孔聚合物(Hyper-cross-linked ploymers,HCPs)是一类新型多孔材料,由于其合成条件温和、成本低廉、孔尺寸可调控、表面官能团可修饰,以及耐热、耐酸碱等优点,近几年受到极大关注。在气体储存和分离、催化、去除水相中的重金属离子等方面具有明显的应用前景。本文介绍了超交联微孔聚合物的合成方法,包括通过外交联芳香化合物的方法和通过分子内或分子外交联前体的方法制备超交联微孔聚合物。总结了超交联微孔聚合物在储气,催化,废水处理等方面的应用。并对超交联微孔聚合物未来研究进行展望。     

肽基超分子胶体

肽基超分子胶体是基于肽分子间超分子作用,自发形成且具有有序分子排布及规整结构,兼具传统胶体及超分子特性的组装体系。利用超分子弱相互作用构筑功能性胶体,不仅是人们对生命组装进程深入理解的有效手段,也是实现优异的超分子材料的重要途径。肽分子具有组成明确、性能可调、生物安全性高及可降解等优势,是超分子化学、胶体与界面化学领域重要的组装基元。基于肽的超分子自组装,能够实现多尺度、多功能的生物胶体的构筑,被广泛应用于医药、催化、能源等领域。如何通过对肽序列的设计及分子间作用力的调控,实现对胶体结构和功能的精确控制,是近年来研究的重要课题之一。从分子尺度研究和揭示超分子胶体的组装过程及物理化学机制,探究胶体结构与功能的关系,是实现超分子结构和功能化的重要内容。本文基于"分子间作用的调控"及"结构与功能的关系"两个基本科学问题,系统地综述了肽基超分子胶体的组装机制、结构与功能,以及研究现状。     

基于贻贝仿生化学的分离功能材料

贻贝仿生的表面化学是近年来材料学、化学、生物医学等领域的交叉研究热点。多巴胺可以作为贻贝足丝蛋白(Mfp)超强黏附特性的模型分子,通过复杂的氧化-自聚和组装,形成多种功能的聚多巴胺(PDA)纳米涂层和纳米粒子,在分离膜、吸附材料、生物医用材料、生物黏结剂等领域有着广阔的应用前景。本研究小组近年来持续开展了基于贻贝仿生化学的分离功能材料制备与结构调控的研究工作,率先将多巴胺表面沉积方法应用于多孔分离膜表面的构建与功能化,提出了多巴胺的自聚-沉积过程模型,进而验证了PDA沉积层的纳滤分离特性,建立了一条简单方便的膜表面功能化与纳滤膜制备新途径。本文主要对基于贻贝仿生化学的分离功能材料,特别是分离膜的研究进展进行综述,并对将来的发展趋势进行展望。     

金刚烷基微孔有机聚合物的合成与性能

微孔有机聚合物由于具有优异的热稳定性、化学稳定性、低密度、高比表面积、分子尺度的孔径分布等优点,在气体储存、气体吸附与分离、有机蒸气吸附、异相催化剂载体、水处理、功能材料等方面引起研究者们极大的兴趣。通常,分子构筑单元特别是在平面或空间中呈对称性的单元,是合成微孔有机聚合物的核心单位。在众多的构筑单元或单体中,多取代金刚烷化合物具有高空间对称性和刚性结构特点,已被成功地用作分子"结"与其他多种类型的连接单元(分子"杆")来构建三维微孔有机聚合物,而且此类微孔有机聚合物在合成产率、结构稳定性、孔径分布、吸附分离等方面表现出许多特殊或优异的性质。本文介绍了目前由金刚烷结构单元构建的以下几种微孔有机聚合物在合成和性能方面的研究进展:苯环连接型、席夫碱连接型、酰亚胺连接型、富氮型(苯并咪唑和三嗪),详细分析和比较了这些聚合物在合成方法、结构特点、稳定性与吸附性能等方面的异同点。此外,介绍了几种其他新型的金刚烷基聚合物。最后提出基于金刚烷的微孔有机聚合物未来的研究方向与思路。     

三嗪基共价微孔有机聚合物的研究进展

共价微孔有机聚合物近年来成为化学、材料和环境等领域的发展前沿和研究热点。其中,三嗪基共价微孔有机聚合物由于高度共面的、π-共轭的1,3,5-三嗪单元的引入,相对于其它多孔吸附剂具有更高的热化学稳定性、独特的光电性质和对客体分子的高选择性分离能力。三嗪共价微孔有机聚合物已应用于气体吸附分离、废水吸附净化、药物缓释、光电响应、超电容和非均相催化等多个领域。本文重点阐述三嗪共价微孔有机聚合物的设计及合成,综述了其功能化策略,并展望了其在材料化工和环境能源等领域的应用前景。     

有机微孔聚合物研究进展

有机微孔聚合物(MOPs)是一类新型的多孔材料,具有合成方法多样、化学和物理性质稳定、孔尺寸可调控、表面可修饰等优点。近年来,MOPs在物理吸附储存气体方面表现出巨大潜力,从而在储氢和温室气体封存方面成为研究的热点之一。本文首先介绍了MOPs的结构类型及特点,分别介绍了自具微孔聚合物、超交联聚合物、共价有机网络以及共轭微孔聚合物的最新进展,分析结构与性能间的关系,并对其在催化、分离和气体储存方面的应用做了简单总结。最后对MOPs未来的研究进行了展望。     

膜相渗透原位化学聚合法制备PAn/CA复合透膜

采用膜相渗透原位化学聚合法,使苯胺(An)原位化学聚合于醋酸纤维素(CA)基体膜的微孔壁中,得到均匀分布的PAn/CA复合导电透膜.通过研究聚合反应条件对复合透膜的导电性能和CO₂/O₂表观分离性能的影响,获得了制备性能较优的PAn/CA复合导电透膜的适宜条件.结果表明,采用膜相渗透化学原位聚合法制备的PAn/CA复合导电透膜,平均孔径明显变小,孔径分布变窄,具有优于CA基体膜的微孔结构形态.     

分子印迹壳聚糖膜分离手性苯丙氨酸

以L-苯丙氨酸(L-Phe)为印迹分子,采用相转化法制备了分子印迹壳聚糖膜。分别采用碱液处理和硫酸交联两种方法对膜进行处理,降低了壳聚糖膜的溶胀度,印迹膜内识别位点的结构得以保持。采用FT-IR和SEM对膜的化学组成和结构形态进行了表征。通过渗透实验考察了分子印迹壳聚糖膜和非印迹空白壳聚糖膜对D,L-苯丙氨酸(D,L-Phe)混合物的手性拆分性能,并与空白膜进行了比较。印迹膜的分离因子达到1.43。     

编织超交联微孔聚合物的研究进展

超交联微孔聚合物因具有比表面积高、合成条件温和、单体来源广泛、催化剂廉价易得等优点而得到广泛关注。近年来,作为一种简单有效的新合成策略,外交联"编织"法成为制备超交联微孔聚合物主要方法之一。该方法可以从低官能度化合物制备得到高比表面积和孔径可调控的超交联聚合物,进一步扩大了构筑单体的选择范围,还可降低副产物的危害,为低成本大规模制备超交联聚合物材料提供了可能。本文对编织超交联聚合物的合成方法进行了总结,并对其在形貌控制中的应用、所得编织微孔聚合物的应用(气体储存和分离、催化、有毒物质吸附、药物控制释放、储能、色谱分离、传感以及碳材料前体等)进行了介绍,最后对外交联"编织"法所面临的问题和挑战、发展前景进行了展望。     

通过熔体自由基反应调控聚丙烯体系的链结构和相结构

熔融反应加工是聚合物改性和制备聚合物纳米复合材料的重要途径之一.在此过程中,多数加成聚合物由于受到热、剪切或引发剂作用,通常可原位形成大分子自由基反应中间体.我们系统地研究了如何利用这类大分子自由基调控聚合物分子链的拓扑结构和聚合物纳米复合体系的相结构与界面.然而,某些聚合物大分子自由基,如聚丙烯(PP),受其分子链化学结构决定,在熔融反应条件下非常易于发生降解.研究发现,将可控自由基聚合中调控自由基反应活性的方法应用在熔融反应过程中可以显著抑制PP的降解,促进主反应的发生,在制备长链支化聚合物、调控聚合物纳米复合材料的相结构方面发挥了重要作用.本文介绍了本研究组近几年来通过熔体自由基反应调控PP体系的链结构和相结构的相关研究工作,如实现PP的长链支化,制备高熔体强度PP;在制备PP/C60 、PP/碳纳米管(CNTs)纳米复合材料过程中,利用熔体界面区域所发生的自由基反应,提高了纳米粒子与PP的界面相互作用,改善了纳米粒子在PP中的分散状态等.     

L-色氨酸分子印迹壳聚糖膜的制备及透过选择性

以L-色氨酸为印迹分子,选取富含羟基和氨基的多功能团聚合物壳聚糖（CS）为基本成膜材料,通过相转化法结合碱液处理与硫酸交联两种后处理方式制备了L-色氨酸分子印迹CS膜（MIM）,采用红外光谱（FT-IR）对膜的组成和结构进行表征,通过渗透实验考察了分子印迹壳聚糖膜对L-色氨酸的分子识别性能,考察了碱液处理与硫酸交联两种后处理方式对膜的溶胀性以及MIM内物质传递的影响．     

超交联微孔聚合物研究进展

超交联微孔聚合物是一类重要的多孔聚合物材料, 由于其具有高比表面积、合成条件温和、单体来源广泛等优点而成为研究的热点. 根据不同阶段合成方法的差异, 超交联聚合物主要由以下三种方法制备得到: (1)含官能团聚合物前体的后交联; (2)功能化小分子单体的一步法自缩聚; (3)通过外交联剂“编织”刚性的芳香族单体. 本文介绍了超交联聚合物的发展过程, 着重对三种合成超交联聚合物的方法、同时对微孔聚合物微观形貌的控制以及其在气体储存、分离、催化等方面的应用进行了总结. 最后提出了超交联聚合物的缺陷和所面临的挑战, 并对未来超交联微孔聚合物的发展前景进行了展望, 指明了超交联聚合物发展的新方向.     

化学功能化增强贵金属纳米晶电催化性能（英文）

基于电催化过程的可再生和清洁能源的生产、转换和储存技术(如水电解和燃料电池)是缓解全球能源短缺和环境污染问题的有效手段.目前,水电解和燃料电池技术的实际应用缺乏高效、稳定的电催化剂来驱动动力学迟缓的阴极和阳极反应.贵金属纳米晶由于其独特的电子结构和高化学惰性而具有高电催化活性和稳定性.为了提升贵金属纳米晶的本征电催化性能,大量研究聚焦在利用面积效应、晶面效应和不同组分之间的协同效应来调控贵金属的粒径、形貌和化学成分.事实上,贵金属纳米晶的电催化性能也与其表/界面性质密切相关.电催化剂表面的化学功能化可以改变电极/电解质界面结构,从而提高电催化活性和选择性,这对开发新型高效的电催化剂具有重要的理论意义.本文系统介绍了本课题组开发的聚胺(PAM)功能化贵金属纳米电催化剂的合成方法及其在燃料电池和电解池等能源转换装置中的应用,具体包括:通过引入PAM控制反应动力学来调控纳米晶体的结构和形态,构建界面功能化贵金属纳米电催化剂;利用金属表面修饰的PAM分子改变表面催化位点的电子结构、配位环境等物理化学性质来控制反应物和中间体等的吸附行为,从而达到调节催化活性的目的;采用PAM分子来隔离特定活性位...     

微孔PI气体分离膜的研究进展

自具微孔材料(PIMs)由于自身刚性分子链的扭曲折叠等会产生高比表面积的微孔结构,相应的膜材料具有优异的气体分离性能。将刚性扭曲的结构单元引入到聚酰亚胺(PI)主链中就得到自具微孔PI。微孔型PI是近年来发展的一种新型PI,其微孔结构使得PI膜的气体分离性能得到很大提升,其中气体渗透系数的提升尤为显著,且保持了传统PI良好的热稳定性、化学稳定性及高力学强度等性质。本文重点介绍了微孔PI以及基于微孔PI复合膜的最新研究进展,并对其未来发展趋势进行了展望。     

基于聚烯烃和聚苯乙烯的梳形(共)聚合物的研究进展

无论从生物大分子还是合成高分子,均表明大分子链拓扑结构对于材料性能具有重要的作用。探索聚合物分子链拓扑结构与材料性能的关系一直是高分子材料科学研究的重要课题。活性/可控聚合技术为特定拓扑结构的分子链(如:梳形聚合物)设计合成提供了有效途径,进而可以方便地调控聚合物的分子结构及其性能。针对梳形聚合物的合成,目前主要采用三种合成策略,分别是"Graft onto"策略、"Graft through"策略和"Graft from"策略。结合作者课题组的工作,本文综述了以聚烯烃和聚苯乙烯为基础的梳形(共)聚合物的可控合成以及结构与性能关系的研究进展,重点阐述了长链支化结构参数(支链长度、支链密度和化学组成)对于聚合物熔体行为、发泡行为和结晶行为的影响规律。     

界面超分子化学与响应性功能表面

超分子化学和界面的结合有效地促进了超分子化学和胶体与界面科学的发展。刺激响应性超分子界面,因在外界刺激作用下能够引起界面物理化学性质的改变并带来新的界面功能,而受到广泛的关注。近年来,溶液中基于偶氮苯 环糊精主客体相互作用的超分子组装体已经得到了广泛的研究。我们将溶液中基于偶氮苯环糊精主客体作用的可控可逆超分子组装体转移到界面上,构筑了具有刺激响应性的功能化超分子界面,并实现了表面浸润性的可逆调控、生物大分子的可控吸附与脱附、光可控的生物电化学催化等功能。我们期待类似的概念可以拓展到其他超分子体系,构筑具有特定结构的功能界面。