基于表面点击纳米摇铃的纳米复合膜制备及其在反应、分离一体化体系中的研究

Nanocomposite membranes will be redesigned by incorporating well-defined metal-polymer hybrid nanorattles onto the robust and highly selective nanofiltration membranes. The encapsulation of nanocores as guest species into the hollow polymeric shells has emerged with the promise to enhance the stability and performance of nanocores, which usually arises from a combined effect of the properties form their inorganic and polymeric components. Fine tuning the structure of nanorattles and click grafting conditions largely maintains the bulk properties of membranes and nanorattles. The study is comprised of: 1) fabrication of robust and highly selective polyamide-polyethersulfone or polyamide/polyimide or polyamide/polybenzoimidazole thin-film composite membranes with clickable functionalities via interfacial polymerization; 2) preparation of metal-polymer hybrid nanorattles via template-assisted methods; 3) incorporation of metal-polymer hybrid nanorattles to “clickable” nanofiltration membranes via click chemistry to obtain novel nanocomposite membranes; 4) construction of reaction-separation integrated system based on the as-prepared nanocomposite membranes. This study will provide useful insights on the fabrication of sustainable nanocomposite membranes with robust and catalytic characteristics, and give practical applications for the reaction-separation integrated system.

本项目拟借助纳米复合手段制备高性能的纳米复合膜，将反应催化与膜分离结合在一起，以膜本身为催化剂载体和分离介质，构建反应-分离一体化体系，不仅能进一步提高纳米颗粒的分散、使用效率，而且能够将反应过程与后续若干化工过程组合起来，大幅简化工业反应与分离操作步骤，促进有选择性的反应转化，从根本上减少污染与能耗。本项目针对反应-分离一体化纳米复合膜的设计难点，拟从膜材料出发，首先利用模板辅助合成法制备结构特殊、具有良好分散性的金属-高分子纳米摇铃，以高分子外壳提供功能化位点，然后运用点击化学手段将金属-高分子纳米摇铃原位固定到聚芳香酰胺-聚醚砜/聚酰亚胺/聚苯并咪唑复合纳滤膜上，制备功能化的纳米复合膜。本方案利用金属纳米粒子的催化性能、高分子外壳的功能性、以及纳滤膜本身的分离性能，设计和制备出能应用于化学反应并实现高效分离的反应-分离一体化体系。

本项目主要针对光诱导可逆失活自由基聚合中催化剂应用范围窄，催化剂难以回收再利用的关键问题，旨在通过制备复合膜等非均相催化体系，提高反应分离效果、拓展光诱导可逆失活自由基聚合的应用范围；项目结合非均相催化体系形式多样和适用面广的优点，首先研究了纳米复合材料的制备及其催化过程，然后制备了以复合膜为代表的非均相催化体系，系统地探索了高分子精准合成的新途径，构建了高效反应分离平台；项目还分析和研究聚合行为和反应动力学，实现了聚合物的结构序列、分子量和多分散系数的精准调控，探索了绿色环保、多重调控、耐受氧气和能串联多步工序的聚合反应过程。本项目的实施探索了聚合物结构精密调控和合成的新思路，拓展和丰富了高分子合成方法学研究。在本项目的支持下，已发表SCI论文15篇，授权中国发明专利1项。