具有分子识别通道的混合基质膜用于从天然气中选择性提取氦气

为何这种微小气体至关重要

氦气常被人们联想到派对气球，但其真正的重要性在于为核磁共振成像（MRI）设备降温、驱动粒子加速器，并支撑先进电子与航天技术。问题在于地球上的氦既稀缺又不可再生，而且大部分以极低浓度被封存于地下天然气中。现有工业从这种混合气中提取氦的方法能耗高、成本大。这项研究描述了一种新型类似过滤器的膜材料，能够以极高的精度从天然气中筛选出氦，有望使氦的回收更清洁、更便宜且更可持续。

寻找更聪明的气体过滤方式

目前工业提取氦主要依靠将气体冷却到极低温度或在大型吸附装置中循环压力，这两种方法都消耗大量能量。聚合物膜在一些炼厂中已用于气体分离，但通常面临一个基本权衡：透气速率高的材料往往难以区分不同气体。对于氦的提取，工业需要的不仅是速度适中，还要极高的选择性——将氦与甲烷（天然气的主要成分）分离的选择因子需超过千倍。很少有商业聚合物能接近这一标准。作者以一种常用的工程塑料Matrimid为基础，重新设计其内部结构，使其能识别氦尺寸的分子同时减缓更大分子的通过。

构建带有微小门洞的膜

团队的关键想法是制造一种“混合基质膜”，即将普通聚合物与经过精心挑选的小型环状分子混合。他们使用一种称为Cyclen的大环，其内部空腔略大于氦原子但小于甲烷。当Cyclen掺入Matrimid后，其含氮基团与聚合物主链形成强氢键。这些相互作用使链段相互靠拢，收紧链间的自由空间。与此同时，Cyclen环充当微小的门洞，有利于非常小的气体通过。这种双重作用缩小了允许较大分子泄漏的随机缝隙，同时为氦和类似小分子开辟更直接的通道。

透视新材料的内部结构

为理解这一机制在纳米尺度上的表现，研究者采用了多种互补技术。电子显微镜显示Cyclen在膜中均匀分散而非聚集，这对于避免导致选择性失效的缺陷至关重要。X射线衍射表明，加入适量Cyclen实际上减少了聚合物链间的平均距离，与更密实、更有序的堆积一致。光谱学测量证实Cyclen与Matrimid之间形成了大量氢键。对所得结构的计算机模拟显示，随着Cyclen含量增加，一张狭窄互连通道的网络出现，微小的氦原子可以穿越，而体积更大的气体如氮和甲烷则遭遇更多死胡同和阻塞路径。

氦分离性能创纪录

在单组分气体测试中，含约5%（重量比）Cyclen的膜表现突出。与纯Matrimid相比，它们大约使氦的通过速率翻倍，同时显著抑制甲烷和氮的通量。这种不平衡将氦对甲烷的选择性在室温下提升到约1660——超过大多数聚合物膜，甚至挑战一些先进的碳基分子筛。值得注意的是，随着膜随时间老化数月，它的堆积进一步紧致。氦的迁移略有减慢，但较大气体的通道收缩更多。经过110天后，氦对甲烷的选择性攀升至近6800，远超长期被认为的聚合物性能上限。该膜在类似真实天然气条件的一系列温度和压力下也能工作，并可铸造成支撑于多孔基材的薄膜，适用于工业模块化生产。

对氦气回收及更多领域的意义

简单来说，研究者构建了一种像尺寸调谐筛子一样的塑料过滤器：它让极小的氦原子迅速通过，同时迫使较大的天然气分子走漫长曲折的路径。通过精心选择内腔尺寸恰当且与宿主聚合物有强相互吸引的环状添加剂，他们将一种普通商业材料转变为迄今报告中选择性最高的氦分离膜之一。如果放大生产，此类膜有望降低氦回收的能耗并延长这一关键资源的寿命。同样的设计原则——使用分子“识别通道”重塑聚合物内部的自由空间——也可应用于氢气净化或二氧化碳捕集，指向新一代智能、高选择性的气体分离膜的发展方向。

引用: He, W., Wang, X., Guan, J. et al. Mixed-matrix membranes with molecular recognition windows for selective helium extraction from natural gas. Nat Commun 17, 2942 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69768-4

关键词: 氦气分离, 气体膜, 天然气处理, 混合基质膜, Cyclen 大环