Abstract Crosslinked poly(ethylene oxide) (PEO) membranes are attractive for performing CO 2 separations. However, the effects of crosslink density on CO 2 separation performance vary widely among reported crosslinked PEO systems, while crosslink inhomogeneity, the uneven distribution of crosslinks in the network, has been largely unexplored. This work reports on a series of PEO-based, model crosslinked membranes with systematically varied crosslink density and crosslink inhomogeneity. Crosslink density was controlled via end-crosslinking commercial Jeffamine ® polyetheramines of specific molecular weight of 148, 600, 900, or 2000 g/mol with an epoxy terminated PEO; the distribution of crosslinks was controlled by the timed addition of PEO diamine oligomers of differing molecular weight. Three distinct series of networks were produced in increasing crosslink inhomogeneity levels: unimodal, bimodal, and clustered. It was found that while decreasing crosslink density is a prominent factor in increasing CO 2 permeability, further improvements in overall CO 2 separation performance were realized by adjusting crosslink inhomogeneity. In particular, both the bimodal and clustered films outperformed respective unimodal films in CO 2 permeability and CO 2 /H 2 selectivity, suggesting the important role of crosslink inhomogeneity in dictating gas transport properties. These crosslinked PEO films approach or surpass the most recent Robeson upper bounds for pure gas CO 2 /H 2 and CO 2 /N 2 separations, making them attractive membranes for H 2 purification and carbon capture.

中文翻译：

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交联密度和交联不均匀性对用于 CO 2 选择性分离的交联 PEO 膜的协同作用研究

摘要 交联聚（环氧乙烷）（PEO）膜对于执行 CO 2 分离具有吸引力。然而，交联密度对 CO 2 分离性能的影响在已报道的交联 PEO 系统中差异很大，而交联不均匀性、网络中交联的不均匀分布在很大程度上尚未得到探索。这项工作报告了一系列具有系统变化的交联密度和交联不均匀性的基于 PEO 的模型交联膜。交联密度通过将特定分子量为 148、600、900 或 2000 g/mol 的商用 Jeffamine® 聚醚胺与环氧基封端的 PEO 进行末端交联来控制；通过定时添加不同分子量的 PEO 二胺低聚物来控制交联的分布。三个不同系列的网络以不断增加的交联不均匀性水平产生：单峰、双峰和集群。结果表明，虽然降低交联密度是增加 CO 2 渗透率的重要因素，但通过调整交联不均匀性可以进一步提高整体 CO 2 分离性能。特别是，双峰和簇状薄膜在 CO 2 渗透性和 CO 2 /H 2 选择性方面均优于各自的单峰薄膜，表明交联不均匀性在决定气体传输性能方面的重要作用。这些交联的 PEO 膜接近或超过了最新的 Robeson 纯气体 CO 2 /H 2 和 CO 2 /N 2 分离上限，使其成为用于 H 2 净化和碳捕获的有吸引力的膜。结果表明，虽然降低交联密度是增加 CO 2 渗透率的重要因素，但通过调整交联不均匀性可以进一步提高整体 CO 2 分离性能。特别是，双峰和簇状薄膜在 CO 2 渗透性和 CO 2 /H 2 选择性方面均优于各自的单峰薄膜，表明交联不均匀性在决定气体传输性能方面的重要作用。这些交联的 PEO 膜接近或超过了最新的 Robeson 纯气体 CO 2 /H 2 和 CO 2 /N 2 分离上限，使其成为用于 H 2 净化和碳捕获的有吸引力的膜。结果表明，虽然降低交联密度是增加 CO 2 渗透率的重要因素，但通过调整交联不均匀性可以进一步提高整体 CO 2 分离性能。特别是，双峰和簇状薄膜在 CO 2 渗透性和 CO 2 /H 2 选择性方面均优于各自的单峰薄膜，表明交联不均匀性在决定气体传输性能方面的重要作用。这些交联的 PEO 膜接近或超过了最新的 Robeson 纯气体 CO 2 /H 2 和 CO 2 /N 2 分离上限，使其成为用于 H 2 净化和碳捕获的有吸引力的膜。通过调整交联不均匀性，进一步提高了整体 CO 2 分离性能。特别是，双峰和簇状薄膜在 CO 2 渗透性和 CO 2 /H 2 选择性方面均优于各自的单峰薄膜，表明交联不均匀性在决定气体传输性能方面的重要作用。这些交联的 PEO 膜接近或超过了最新的 Robeson 纯气体 CO 2 /H 2 和 CO 2 /N 2 分离上限，使其成为用于 H 2 净化和碳捕获的有吸引力的膜。通过调整交联不均匀性，进一步提高了整体 CO 2 分离性能。特别是，双峰和簇状薄膜在 CO 2 渗透性和 CO 2 /H 2 选择性方面均优于各自的单峰薄膜，表明交联不均匀性在决定气体传输性能方面的重要作用。这些交联的 PEO 膜接近或超过了最新的 Robeson 纯气体 CO 2 /H 2 和 CO 2 /N 2 分离上限，使其成为用于 H 2 净化和碳捕获的有吸引力的膜。