[发明专利]自支持的二维单层超分子聚合物及其在纳米分离膜方面的应用

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种自支持的有机-无机杂化二维单层超分子聚合物及其在纳米分离膜方面的应用。

背景技术

膜分离技术作为一种简单有效的分离技术，具有能耗小、分离效果好、环境污染小、操作简单等优点，已经被广泛应用于废水处理、化工分离、生物医药、气体分离、有机物和无机物分离等领域。纳米分离膜作为一种新兴的分离膜，分离范围在1～10nm，介于反渗透膜和超滤膜之间，它的出现和发展填补了膜分离技术领域的空白。目前，商用的纳米分离膜材料主要以有机聚合物膜为主，常见的有机聚合物材料有：砜类(磺化聚砜、磺化聚醚砜、聚砜和聚醚砜等)、纤维素类(二醋酸纤维素和三醋酸纤维素等)、聚哌嗪酰胺类、聚酰胺类及聚芳酯类(N.Sivashinsky,G.B.Tanny,J.Appl.Polym.Sci.,1983,28,3235；R.Y.M.Huang,J.J.Kim,J.Appl.Polym.Sci.,1984,29,4029；S.Zhang,X.Jian,Y.Dai,J.Membrane.Sci.,2005,246,121)。这类有机聚合物分离膜的孔道结构大多是在加工过程中所形成的聚合物链之间的空隙，其形状和尺寸都不均一，因此很难实现对纳米孔道结构形状和尺寸的精确控制。同时，这类纳米分离膜的厚度均在1微米以上，在膜分离过程中会造成一定的过滤损失。为了克服以上缺点，研究人员致力于开发新型的具有均一纳米孔道的超薄材料用于分离膜的构筑，例如石墨烯渗透膜等(K.Celebi,J.Buchheim,R.M.Wyss,A.Droudian,P.Gasser,I.Shorubalko,J.Kye,C.Lee,H.G.Park,Science,2014,344,289)。二维聚合物具有均一的纳米、分子孔道结构和单分子层厚度，是一种理想的纳米分离膜材料。目前，构筑自支持的单层二维聚合物主要有以下几种方法：1、将具有多层二维结构的金属有机骨架结构或共价有机骨架结构剥离形成单层的二维聚合物(C.M.Gastaldo,J.E.Warren,K.C.Stylianou,N.L.O.Flack,M.J.Rosseinsky,Angew.Chem.Int.Ed.,2012,51,11044；J.C.Tan,P.J.Saines,E.G.Bithell,A.K.Cheetham,ACS Nano,2012,6,615)；2、通过聚合反应将具有平面结构的构筑单元共价连接从而形成二维聚合物(K.Baek,G.Yun,Y.Kim,D.Kim,R.Hota,I.Hwang,D.Xu,Y.H.Ko,G.H.Gu,J.H.Suh,C.G.Park,B.J.Sung,K.Kim,J.Am.Chem.Soc.,2013,135,6523)；3、通过非共价作用将具有平面结构的组装单元在溶液相或者两相界面处形成单层的二维超分子聚合物 (K.D.Zhang,J.Tian,D.Hanifi,Y.Zhang,A.C.H.Sue,T.Y.Zhou,L.Zhang,X.Zhao,Y.Liu,Z.T.Li,J.Am.Chem.Soc.,2013,135,17913)。尽管研究者已经成功地构筑了一些自支持的单层二维聚合物，然而二维聚合物的合成仍然存在很多有待解决的问题，例如：如何对金属有机骨架结构或共价有机骨架结构进行有效的剥离并将其加工成可用的纳米分离膜？能否开发出一种新的不依赖于单体特定形状的可控聚合方法，构筑均一多孔结构和良好溶液加工性能的单层二维聚合物？为此，通过合理的超分子结构设计，超分子自组装不单单可以在溶液相中构筑有序的二维多孔结构，而且可以提供良好的溶液加工性能，为进一步发展基于二维聚合物纳米分离膜提供了一种有效的构筑方法。