成果登《科学》，南京工业大学在膜领域取得重大突破

 
 
成果登《科学》，南京工业大学在膜领域取得重大突破  
 

南京工业大学材料化学工程国家重点实验室金万勤教授课题组提出“固态溶剂法”制备超薄超高掺杂量的混合基质膜。北京时间今天凌晨2:00，该成果以“Solid-solvent processing of ultrathin, highly loaded mixed-matrix membrane for gas separation”为题在线刊发于国际著名期刊《Science》（《科学》）。

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南京工业大学陈桂宁博士后为第一作者、刘公平教授和金万勤教授为共同通讯作者，参与单位有沙特阿卜杜拉国王科技大学和苏州实验室。这是该团队继二维材料膜（Nature, 2017, 550, 380）和金属有机框架膜（Nature Materials, 2023, 22, 769）研究工作以来，在限域传质膜这一前沿方向取得的另一重大进展。

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分子分离在化工、能源和环境等领域具有重要地位，相比传统分离技术，膜分离具有能耗低和环境友好等优势。将高性能无机填料掺杂在聚合物中制备混合基质膜，有望突破聚合物膜渗透性和选择性的制约关系，成为近年来国际研究前沿。然而，混合基质膜仍未大规模应用，面临填料团聚和界面缺陷的重大挑战，如何制备超薄超高掺杂的无缺陷混合基质膜是学术界和产业界一直以来追求的梦想。

金万勤教授团队是国际上较早开展混合基质膜研究的团队之一，基于持续多年的研究积累以及对关键科学问题的深入理解，他们跳出传统思维模式，提出“固态溶剂法”制备混合基质膜，研究将聚合物作为固态溶剂，溶解填料的前驱体（金属盐）并将其涂覆在多孔载体表面形成超薄膜层，而后将聚合物中的前驱体原位转化成填料（金属盐与有机配体蒸气反应形成金属有机框架）。区别于传统的“合成填料—分散填料—填料与聚合物混合”制备混合基质膜的复杂工艺，该方法仅需在聚合物中溶解高含量前驱体即可实现高含量填料的均匀超薄化掺杂，同时构造了以填料为主体相的新型混合基质膜结构，填料之间形成的贯穿孔道为分子提供超快传输通道。

图1：膜制备示意图

实验结果表明，“固态溶剂法”制备的混合基质膜厚度仅为50 nm，填料掺杂量高达80%以上。基于超薄膜层和填充的贯穿筛分孔道，该混合基质膜表现出类无机膜（纯填充相）的优异分离性能，氢气/二氧化碳分离性能高出现有聚合物膜和混合基质膜1~2个数量级，在碳捕集等过程极具应用潜力，有望助力我国双碳战略目标的实施。

此外，“固态溶剂法”主要依靠聚合物膜的加工制备技术，因此易于放大制备成超薄的平板型和中空纤维型混合基质膜，且适用于不同类型的填料和聚合物基质，表现出良好的规模化制备前景与膜材料普适性，已获授权中国发明专利ZL202210222277.3，并申请美国专利US 18/165235。目前，团队在国家重点研发项目（2022YFB3804800）的资助下，正在开展混合基质膜的放大制备与应用技术研究。

图2：膜结构与分离性能