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9月22日，國(guó)際頂級(jí)期刊《Science》在線發(fā)表了南京工業(yè)大學(xué)金萬(wàn)勤教授團(tuán)隊(duì)題為“Solid-solvent processing of ultrathin, highly loaded mixed-matrix membrane for gas separation”的研究論文。南京工業(yè)大學(xué)陳桂寧博士后為第一作者、劉公平教授和金萬(wàn)勤教授為共同通訊作者，參與單位有沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)和蘇州實(shí)驗(yàn)室。這是該團(tuán)隊(duì)繼二維材料膜（Nature, 2017, 550, 380）和金屬有機(jī)框架膜（Nature Materials, 2023, 22, 769）研究工作以來(lái)，在限域傳質(zhì)膜這一前沿方向取得的另一重大進(jìn)展。

相比傳統(tǒng)分離技術(shù)，膜分離具有能耗低和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。將高性能無(wú)機(jī)填料摻雜在聚合物中制備混合基質(zhì)膜，有望突破膜滲透性和選擇性的制約關(guān)系，成為近年來(lái)國(guó)際研究前沿。然而，混合基質(zhì)膜仍未大規(guī)模應(yīng)用，面臨填料團(tuán)聚和界面缺陷的重大挑戰(zhàn)，如何制備超薄超高摻雜的無(wú)缺陷混合基質(zhì)膜是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界一直以來(lái)追求的夢(mèng)想。金萬(wàn)勤教授團(tuán)隊(duì)是國(guó)際上較早開展混合基質(zhì)膜研究的團(tuán)隊(duì)之一，基于持續(xù)多年的研究積累以及對(duì)關(guān)鍵科學(xué)問題的深入理解，他們跳出傳統(tǒng)思維模式，提出“固態(tài)溶劑法”制備混合基質(zhì)膜（圖1）。區(qū)別于傳統(tǒng)的“合成填料—分散填料—填料與聚合物混合”制備混合基質(zhì)膜的復(fù)雜工藝，該方法僅需在聚合物中溶解高含量前驅(qū)體而后通過原位轉(zhuǎn)化即可實(shí)現(xiàn)高含量填料的均勻超薄化摻雜，同時(shí)構(gòu)造了以填料為主體相的新型混合基質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，填料之間形成的貫穿孔道為分子提供超快傳輸通道。

圖1.膜制備示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于超薄膜層和填充的貫穿篩分孔道，該混合基質(zhì)膜表現(xiàn)出類無(wú)機(jī)膜的優(yōu)異分離性能，氫氣/二氧化碳分離性能高出現(xiàn)有聚合物膜和混合基質(zhì)膜1~2個(gè)數(shù)量級(jí)（圖2），在燃燒前碳捕集等過程極具應(yīng)用潛力，有望助力我國(guó)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)施。“固態(tài)溶劑法”主要依靠聚合物膜的加工制備技術(shù)，因此易于放大制備。目前，團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資助下，正在開展混合基質(zhì)膜的放大制備與應(yīng)用技術(shù)研究。

圖2.膜結(jié)構(gòu)與分離性能

該工作從根本上解決了填料團(tuán)聚和界面缺陷兩個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)困擾混合基質(zhì)膜發(fā)展的技術(shù)難題，并首次從實(shí)驗(yàn)上證明了超薄超高摻雜混合基質(zhì)膜的可行性，也為發(fā)展基于納米材料的超薄分離膜及功能涂層提供了新思路和理論技術(shù)基礎(chǔ)。該工作被同期《Science》以“超薄膜篩分氣體Ultrathin membranes to sieve gases”為題進(jìn)行專題觀點(diǎn)評(píng)述（Perspective）。

該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、協(xié)同創(chuàng)新中心等項(xiàng)目資助，以及材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院、蘇州實(shí)驗(yàn)室能源環(huán)境材料部等大力支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adi1545