基于超分子作用的功能膜构筑及其在燃料电池氢源脱硫中的应用

当前全球面临严峻的能源问题，燃料电池以其效率高、环境友好等特征备受重视，而该技术的突破仍受氢源超低硫化等瓶颈性因素制约。本课题针对超深度脱硫即有机小分子深层次分离面临的挑战，从超分子角度出发提出新思路，将超分子作用的高选择性与膜的高效率相结合用于脱硫，以能有效发挥协同效应的膜色谱为平台构筑新型功能膜；对超分子体进行分子修饰，设计与基膜的可控复合方法，考察超分子体/基膜复合体系的微观(表面分子结构)/介观(界面超分子刷环境)/宏观(吸附容量、通量)特征三者之间的关系和规律，建立功能膜可控构筑方法；结合膜吸附、脱附行为表征，揭示膜内在分离机制和渗透规律，为深度脱硫功能膜的设计提供科学依据。.集超分子和膜优势于一体的新型功能膜可为超深度脱硫难题提供有效新途径，也为其它有机小分子体系的分离提供了新思路；设计实现超分子为功能体的新型功能膜可控构筑，对于丰富和发展功能膜制备和结构调控理论具有重要意义。

本课题针对深度脱硫即有机小分子深层次分离面临的挑战，从超分子角度出发提出新思路，将超分子作用的高选择性与膜的高效率相结合用于脱硫，以能有效发挥协同效应的膜色谱为平台构筑新型功能膜：（1）通过对环糊精超分子主体的分子修饰，设计得到了具有可移动点位的聚轮烷（PR），通过红外、核磁共振等手段验证了其超分子特性；通过引入双键制备出超分子（可移动）交联剂；以PR交联剂为三维连接点，以纤维素高分子膜材料为基质，制备了新型超分子膜，交联点可以沿轴滑移或者旋转，三维结构的形成抑制了有机溶剂对膜的溶胀，交联点的可移动特性优化了待分离组分（硫化物、烃类分子）在膜中的传质过程，环糊精特殊的空腔结构的存在，有助于提高分离效率；系统探究了膜的氢源脱硫特性，膜的通量和选择性均处于较高水平，为解决膜领域Trade-off瓶颈难题提供了思路，对其它有机小分子体系的分离具有借鉴意义；（2）提出以基于络合作用的新型Mixed-Matrix-Membranes（MMMs）功能膜解决氢源脱硫问题，巧妙地通过MMMs脱硫膜三维通道的调控，解决传统吸附脱硫中吸附功能受限的难题，构建的吸附功能膜的断面形态结构随凝固浴的不同而有显著区别，以水、乙醇、异丙醇、正丁醇的顺序，断面形态从指状孔结构逐渐向海绵状孔过渡；挥发时间的增加有利于海绵状孔的形成，海绵状、指状孔通道共存有利于吸附功能的实现；膜吸附行为与分子筛/硫化物的结合力大小有关；MMMs膜具有良好的热稳定性，高温再生处理有利于提高膜性能且对膜结构无破坏性影响；设计制备的MMMs膜可将硫含量降低到0.1 mg L-1以下，膜可再生使用，为新能源燃料电池用燃料油脱硫难题提供了一种有效新途径；且通过界面与非界面多重孔结构的构建实现膜吸附通道的可控制备，建立了镶嵌连通的三维网状多孔结构的调控机制，对膜结构调控和制备技术的发展具有重要理论意义。相关研究发表SCI一区论文3篇，影响因子大于3.0的SCI论文5篇，并获得优秀学位论文等省部级科技奖励4项，圆满完成预期研究计划。