基于两性基团构筑高效促进物质传递通道强化膜过程的研究

There are various synergistic effects that co-exist in vivo to enhance and regulate the mass transfer processes in organism. The delicate structure of the plasma membrane and the rapid and intelligent mass transfer modes offer inspirations and guides for the development of novel and high-performance membranes. Inspired by the unique feature of plasma membrane composition and structure, a novel strategy of building efficient mass transfer pathways using amphiprotic zwitterionic species with acid-base groups is proposed to enhance membrane performance. Biomimetic mineralization and in situ sol-gel process are employed to fabricate mixed matrix membranes with facilitated mass transfer pathways. Cooperative acid-base pair type and acid-base proportion are optimized and the optimum acid-base matching rules are explored. Synergistic tuning of the pathway structure, the bulk and interfacial structure, microphase separation and free volume characteristics are achieved by regulating the amphiprotic groups matching, hybriding process and membrane-forming process. Membrane performances are evaluated to analyze the mass transfer enhancing effect of the amphiprotic species-based facilitated transport pathways and elucidating the multiselective mechanism of the as-prepared mixed matrix membranes. A general method to fabricate membranes with facilitated mass transfer pathways based on amphiprotic species is expected to be established to offer new strategies and approaches to develop high-performance membranes.

生物体内存在多种协同效应用来调控物质传递过程，其巧妙结构特点和高效、智能的传递方式为开发高性能膜材料提供了启示。本项目拟借鉴生物膜组成及结构特点，将酸碱对两性基团对促进物质传递的效果拓展到膜内促进传递通道的构建中，制备出模拟生物体高效物质传递方式的新型膜材料；采用仿生矿化、原位溶胶凝胶等杂化方法制备两性基团促进物质传递通道的混合基质膜；优化酸碱对种类及酸碱基团的协同性，以获取最佳酸碱匹配原则；通过两性基团协同匹配、杂化过程和成膜过程的调节，实现混合基质膜内通道结构、膜主体及界面微相分离结构和自由体积特性的协同调控；评价膜的传质性能，分析两性基团促进物质传递的效果，从而阐明两性基团通道膜的多重传递机制；建立一种基于生物启发下连续物质传递通道构筑的新方法，制备的两性基团促进传递通道混合基质膜用于强化质子或二氧化碳分子的选择性传递，为开发新型高效膜材料，强化膜过程提供新的策略和途径。

膜技术在新型能源开发、碳捕集等领域以其日益突显的优势得到迅速发展和推广。膜材料是关系膜过程效率和膜技术应用的决定性因素，也是学术界和工业界关注的热点。同时提高物质在膜内的传递效率和选择性是高性能膜材料开发面临的挑战。本研究在分析借鉴生物膜组成及其结构特点的基础上，尝试将酸碱两性基团对促进物质传递的效果拓展到膜内促进传递通道的构建中，制备具有高效传递效率的膜材料。选取质子传递和气体分子分离为代表性研究对象，针对目前燃料电池用质子交换膜存在的传导率有待提高，特别是高温低湿条件下的传导率下降问题，以及气体分离膜的渗透性与选择性此升彼降的trade-off制约问题，通过在膜内引入两性酸碱基团构建传递通道，调控传递通道物理化学微环境，优化膜结构，提高膜性能。采用接枝修饰、孔道负载、单体共聚等方法合成了一系列功能化纳米材料，进而通过物理共混、原位溶胶-凝胶及仿生矿化等方法，将修饰有两性基团的纳米材料引入高分子铸膜基质中，制备了具有促进物质传递通道结构的复合膜，通过优化功能基团种类，匹配酸碱两性基团促进传递位点，研究了酸碱匹配促进物质传递通道膜的结构、物理化学微环境及其传递机理，提高了膜的传质效率和选择性。所得到的质子交换膜在高温低湿条件下传导率提高，二氧化碳气体分离膜的渗透通量和选择性达到了同时提升，并突破了Robeson上限。此外，我们还将上述采用两性基团构建物质传递通道的思想拓展到了用于其他分离体系（如水处理纳滤膜、有机混合物分离渗透蒸发膜）和固载酶或固载药物分子等体系，也取得了良好效果。依托本项目取得的研究成果在Adv Funct Mater、Nat Commun、J Mater Chem A、J Membr Sci、Chem Soc Rev等国际学术期刊发表SCI收录论文37篇，授权专利6件，培养研究生12名，毕业6名。