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  氣體分離是許多工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的氣體分離技術(shù)例如低溫蒸餾能耗極高，不符合現(xiàn)今低碳減排的總體趨勢。相比而言，膜分離技術(shù)具有低能耗、占地小以及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，是未來工業(yè)氣體分離的高效替代方案。然而，目前膜技術(shù)在氣體分離領(lǐng)域的應(yīng)用所占的比重仍然較小。這是因為常用的高分子膜的無序分子結(jié)構(gòu)限制了其氣體分離性能的進一步提升。

  金屬有機框架（MOF）是一種具有均勻可調(diào)孔道結(jié)構(gòu)的高孔隙率多孔材料。將MOF作為填料加入傳統(tǒng)高分子基質(zhì)所形成的混合基質(zhì)膜(MMM)理論上能顯著提升純高分子膜的氣體分離性能。然而，文獻中所報道的MMMs的實際氣體滲透性能與純MOF膜相比仍然相去甚遠。其根本原因在于氣透性較差的高分子基質(zhì)將高氣透性的MOF顆粒分隔開來，從而形成了整張膜的氣透性瓶頸。盡管增加MOF的負載量至40wt%以上能減小MOF顆粒間距，形成氣體傳質(zhì)的連續(xù)通路，高MOF負載量的膜往往不具備足夠的機械強度以適應(yīng)實際應(yīng)用場景對材料的要求。因此，在不影響膜力學(xué)性能的前提下，構(gòu)建具有連續(xù)MOF通路的MMM極具挑戰(zhàn)。

  近日，上海科技大學(xué)李濤教授團隊設(shè)計并開發(fā)了一類相分離混合基質(zhì)膜(PS-MMMs)，通過控制聚合物的相分離，能夠在較低的負載量下實現(xiàn)MOF域的相互連接并貫穿整張膜，巧妙地解決了這一困境。通過共混兩種不互溶的聚酰亞胺高分子，MOF顆粒能夠選擇性地進入其中一個聚酰亞胺相，通過對MOF負載量、聚合物配比、聚合物組成、溶劑蒸發(fā)速率等參數(shù)的優(yōu)化，MOF的局部堆積密度最高可達53 v/v%，平均顆粒間距約為20 nm。在只有19wt%的MOF負載量形成了高通量的MOF滲透網(wǎng)絡(luò)，同時另一聚酰亞胺相呈現(xiàn)良好的連續(xù)性，作為結(jié)構(gòu)骨架為整張膜提供機械支撐。這種PS-MMM的CO₂滲透性是純聚合物膜的6.6倍，而CO₂/N₂和CO₂/CH₄選擇性基本不變。而未分相的MMM在30 wt%負載量下，CO2滲透性也只是純聚合物膜的3.9倍。另外，得益于其獨特的共連續(xù)形態(tài)，在相同MOF負載量下，PS-MMM的延展性也明顯優(yōu)于未分相MMM。

圖3. 相分離混合基質(zhì)膜的機械及氣體分離性能。（A）純高分子膜、未分相混合基質(zhì)膜和分相混合基質(zhì)膜的斷裂拉伸測試及其在3 bar和35℃下（B）CO₂/N₂（D）CO₂/CH₄氣體分離性能。（C）在3bar和35℃下CO₂和CH₄在P4, nPS-20和PS-19中的溶解度和擴散系數(shù)。

  論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf5087