Abstract This study, for the first time, demonstrates a new double-crosslinking approach to manipulate the microstructure and gas separation performance of PBI membranes for H2/CO2 separation at 150 °C. The PBI membranes were firstly blended with sulfonated polyphenylsulfone (sPPSU) as an ionic-crosslinker and then α,α′-dibromo-p-xylene (DBX) as a covalent crosslinker with the aid of thermal annealing. Experiments show that PBI and sPPSU interact on the molecular level. Different from conventional blends, the PBI/sPPSU blend membranes show both enhanced chemical resistance and greater fractional free volume (FFV) after annealing at elevated temperatures because of chain motion and ionic crosslinking. As a result, the blend membranes maintain their high permeability after annealing. The DBX addition further improves the chemical resistance and tightens the inter-chain spacing that results in membranes with a small FFV and pore size. Consequently, the DBX cross-linked blend membranes retain their high gas pair selectivity at high temperatures. The 50/50 PBI/sPPSU blend membrane crosslinked by 0.7 wt% DBX at 300 °C possesses the best separation performance surpassing the Robeson's upper bound. It has an impressively H2 permeability of 46.2 Barrer and a high H2/CO2 selectivity of 9.9 at 150 °C.

中文翻译：

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磺化聚苯砜/聚苯并咪唑混合膜的分子设计使用双交联技术实现高效氢气纯化

摘要 本研究首次展示了一种新的双交联方法来控制 PBI 膜的微观结构和气体分离性能，用于在 150 °C 下分离 H2/CO2。PBI 膜首先与作为离子交联剂的磺化聚苯砜 (sPPSU) 混合，然后在热退火的帮助下与作为共价交联剂的 α,α'-二溴对二甲苯 (DBX) 混合。实验表明 PBI 和 sPPSU 在分子水平上相互作用。与传统共混物不同，由于链运动和离子交联，PBI/sPPSU 共混膜在高温退火后显示出增强的耐化学性和更大的自由体积分数 (FFV)。结果，混合膜在退火后保持其高渗透性。DBX 的添加进一步提高了耐化学性并收紧了导致膜的 FFV 和孔径较小的链间间距。因此，DBX 交联混合膜在高温下保持其高气体对选择性。在 300 °C 下由 0.7 wt% DBX 交联的 50/50 PBI/sPPSU 共混膜具有超过 Robeson 上限的最佳分离性能。它具有令人印象深刻的 46.2 Barrer 的 H2 渗透率和 150 °C 时 9.9 的高 H2/CO2 选择性。7 wt% DBX 在 300 °C 下具有超过 Robeson 上限的最佳分离性能。它具有令人印象深刻的 46.2 Barrer 的 H2 渗透率和 150 °C 时 9.9 的高 H2/CO2 选择性。7 wt% DBX 在 300 °C 下具有超过 Robeson 上限的最佳分离性能。它具有令人印象深刻的 46.2 Barrer 的 H2 渗透率和 150 °C 时 9.9 的高 H2/CO2 选择性。