具有介微梯度孔道结构炭膜的设计、可控制备及气体渗透机理的研究

制约和阻碍炭膜产业化应用的关键性问题是炭膜的渗透能力还无法满足商业化应用的要求。本课题借助于介孔炭材料合成技术，原位或界面聚合或超声沉积等制膜方法，设计、构建并制备出具有介微梯度孔道结构的炭膜，提高炭膜的气体渗透能力。通过研究各种合成与制膜方法及前驱体单体的结构（分子结构和空间构型）、模板剂、催化剂对形成的具有介微梯度孔道结构的孔道构型、尺度与分布、有序程度及气体渗透性能的影响及规律；介微梯度孔道结构的形成机理及规律；气体在介微梯度孔道结构中的渗透扩散机理；优化制备工艺条件，形成制备具有介微梯度孔道结构炭膜的新方法和工艺。并通过在分子层面上精细调控和优化炭膜的介微梯度孔道结构体系，最大程度地提高炭膜的气体渗透能力，实现介微梯度孔道结构炭膜的可控制备。本课题的实施将有助于丰富和发展炭膜的基础理论，开发出具有我国知识产权的新型炭膜材料的制备技术，促进和加快炭膜产业化应用的进程。

制约和阻碍炭膜产业化应用的关键性问题是炭膜的渗透能力还无法满足商业化应用的要求。本课题借助于介孔炭材料合成技术，真空浸渍、旋转涂膜等制膜方法，构建并制备出具有介微梯度孔道结构的炭膜，提高其气体渗透能力。通过研究各种合成与制膜方法及前驱体单体、模板剂、催化剂对形成的具有介微孔道结构的构型、尺度与分布、有序程度及气体渗透性能的影响及规律；气体在介微梯度孔道结构中的渗透扩散机理；优化制备工艺条件，形成制备具有介微梯度孔道结构炭膜的新方法和工艺。并通过精细调控和优化炭膜的介微梯度孔道结构体系，最大程度地提高炭膜的气体渗透能力，实现介微梯度孔道结构炭膜的可控制备。.研究表明，（1）采用软模板法可以合成出具有有序介孔结构的前驱体材料，炭化后形成炭膜的介孔孔道体系。单体与模板剂的种类、合成工艺及其参数对介孔炭孔道体系的结构、尺度、空间构型等都具有很重要的影响与作用，进而影响所制备介孔炭的气体渗透性能；通过调控介孔前驱体合成工艺参数可实现对介孔孔道结构的精细调控。（2）采用真空浸渍、旋转涂膜等制膜技术，制备介孔复合膜，并在其表面形成具有极微孔道结构的表面分离层，构建了炭膜的介微梯度孔道结构体系，显著地提高了复合炭膜的气体渗透通量，比传统复合炭膜提高10倍以上。并采用相转化技术直接制备了具有介微孔道结构的不对称炭膜，表现出良好的气体渗透能力和分离选择性。前驱体的结构、制膜和炭化工艺对所制备的介微孔道炭膜的孔结构及分离性能有很大的影响；通过优化这些工艺参数可实现对炭膜介微梯度孔道体系的调控。（3）在炭膜微孔结构的形成过程中，前驱体化学与空间结构、自由体积大小对炭膜微孔道结构的尺度与构型有很大的影响；在介微孔道结构炭膜中，介孔结构是由模板剂的析出形成的，微孔结构是在炭化过程中由小分子气体的析出和内部的自由体积形成的。气体在介孔孔道中的吸附扩散机制遵循努森扩散机理；气体在微孔孔道中的吸附扩散机制遵循分子筛分机理。 .本项目已发表研究论文33篇（接收2篇）其中SCI/ EI检索11篇（接收2篇）；已申请国家发明专利6项，授权3项；授权美国专利1项。已培养博士研究生2名，硕士研究生10名；本课题成果有助于丰富和发展炭膜的基础理论，开发出具有我国知识产权的新型炭膜材料的制备技术，促进和加快炭膜产业化应用的进程。