用于高效气体分离的非对称共价有机框架混合基质膜

将废气变为有用的氢气

氢气是一种有前景的清洁燃料，但它经常与二氧化碳（主要的温室气体）一起产生。从较大的二氧化碳分子中高效且低成本地分离出极小的氢分子，是未来低碳工业面临的一大挑战。本研究报道了一种新型超薄且坚固的膜，能够以异常高的速度和选择性从二氧化碳中筛分出氢气，有望降低清洁工业气流的能耗。

构建更智能的过滤器

研究人员制造了一种混合过滤器，称为混合基质膜，它结合了塑料的可加工性与晶体筛的精准性。晶体成分是共价有机框架（COF），由有机构件通过共价键连接形成高度有序的纳米级孔道。这些孔道可以设计成偏好某些气体分子而排斥其他分子。塑料成分是一种称为聚醚砜的聚合物，为膜提供机械强度、耐化学性以及便于制备成大片材料的加工性。

两步成膜技巧

为了在不产生缺陷的情况下将这两种截然不同的材料结合，团队采用了一种称为非溶剂诱导相分离的制备方法。首先，他们将聚合物和一种COF构件（称为Tp）共同溶解在溶剂中，并将该混合液涂覆在多孔玻璃纤维支撑上。当涂覆的支撑浸入水中时，溶剂与水快速置换，促使聚合物固化并形成具有致密“表皮”和下方指状孔道的不对称结构。与此同时，第二种COF构件（Pa‑1）溶解在水浴中，扩散进入正在形成的薄膜并在聚合物表面及孔隙内与Tp发生反应。

分层的微观构造

这一精心时序的工艺产生了多层结构。在最顶端形成了一层异常薄的COF薄膜，仅15–30纳米厚——比人类头发薄数千倍。在其下，聚合物形成类似泡沫的区域和向下连接至玻璃纤维基材的长通道。微小的COF纳米晶体，仅4–8纳米宽，分散在内部孔壁上。高分辨率显微镜和光谱分析显示，聚合物链紧密包裹这些纳米晶体，形成几乎无缝的界面，没有明显的缝隙可让气体无控制地泄漏。氢键及其它弱相互作用帮助把各组分“粘”在一起，而玻璃纤维提供整体机械支撑。

氢气快速通过，二氧化碳被阻滞

当氢气和二氧化碳通过该膜时，多种分离效应协同作用。在多孔的聚合物区域，气体主要通过与孔壁的碰撞移动，这自然有利于较小、较轻的分子如氢气。在COF区域内，计算模拟和气体测试表明二氧化碳被强烈吸引并被暂时俘获，而氢气仅感受到较弱的吸引力，因而更易通过。随着二氧化碳填充部分COF孔道，层叠COF层之间的有效间隙变窄，充当分子筛，进一步减缓体积更大的二氧化碳，而让氢气顺利渗透。

性能突破传统极限

这些综合效应带来了高氢通量同时强烈抑制二氧化碳通透的表现。在室温下，该膜的氢气渗透率约为2700 GPU，氢/二氧化碳选择性接近89——这些数据超越了传统聚合物膜广泛使用的罗布森上限（Robeson upper bound）。该膜在升高温度下仍能良好运作，并且在多小时稳定运行后仍保持性能，即便经过机械处理和损伤测试也表现出稳定性。这表明这种独特的分层结构不仅有效，而且耐用且具有可扩展性。

对清洁能源的意义

通俗地说，团队构建了一种气体过滤材料，能够让氢气快速通过同时阻挡大部分二氧化碳，且以薄、坚固并可在厘米尺度上制造的片材形式呈现。通过将聚合物框架与直接在其内部生长的晶体筛结合，他们克服了气体分离中长期存在的通量与选择性之间的权衡。如果将该类膜应用于工业模块化设备，有望提升氢气生产和碳捕集的能效，助力更清洁的燃料与更低的排放。

引用: Qi, LH., Wang, Z., Zhang, TH. et al. Asymmetrical covalent organic framework mixed matrix membranes for highly efficient gas separation. Nat Commun 17, 1947 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68790-w

关键词: 氢气分离, 气体膜, 共价有机框架, 碳捕集, 混合基质材料