在膜領域的重大突破“固態(tài)溶劑法制備超薄超高摻雜量的混合基質(zhì)膜”

2023年9月22日,國際頂級期刊《Science》在線發(fā)表了南京工業(yè)大學金萬勤教授團隊題為“Solid-solvent processing of ultrathin, highly loaded mixed-matrix membrane for gas separation”的研究論文.我校陳桂寧博士后為第一作者、劉公平教授和金萬勤教授為共同通訊作者,參與單位有沙特阿卜杜拉國王科技大學和蘇州實驗室.這是該團隊繼二維材料膜(Nature, 2017, 550, 380)和金屬有機框架膜(Nature Materials, 2023, 22, 769)研究工作以來,在限域傳質(zhì)膜這一前沿方向取得的另一重大進展.

相比傳統(tǒng)分離技術,膜分離具有能耗低和環(huán)境友好等優(yōu)勢.將高性能無機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系,成為近年來國際研究前沿.然而,混合基質(zhì)膜仍未大規(guī)模應用,面臨填料團聚和界面缺陷的重大挑戰(zhàn),如何制備超薄超高摻雜的無缺陷混合基質(zhì)膜是學術界和產(chǎn)業(yè)界一直以來追求的夢想.金萬勤教授團隊是國際上較早開展混合基質(zhì)膜研究的團隊之一,基于持續(xù)多年的研究積累以及對關鍵科學問題的深入理解,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.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)化即可實現(xiàn)高含量填料的均勻超薄化摻雜,同時構造了以填料為主體相的新型混合基質(zhì)膜結構,填料之間形成的貫穿孔道為分子提供超快傳輸通道.

實驗結果表明,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)出類無機膜的優(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個數(shù)量級,在燃燒前碳捕集等過程極具應用潛力,有望助力我國雙碳戰(zhàn)略目標的實施.“固態(tài)溶劑法”主要依靠聚合物膜的加工制備技術,因此易于放大制備.目前,團隊在國家重點研發(fā)項目的資助下,正在開展混合基質(zhì)膜的放大制備與應用技術研究.

該工作從根本上解決了填料團聚和界面缺陷兩個長期以來困擾混合基質(zhì)膜發(fā)展的技術難題,并首次從實驗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基礎.該工作被同期《Science》以“超薄膜篩分氣體Ultrathin membranes to sieve gases”為題進行專題觀點評述(Perspective).

該研究得到了國家重點研發(fā)項目、國家自然科學基金、協(xié)同創(chuàng)新中心等項目資助,以及材料化學工程國家重點實驗室、南京工業(yè)大學化工學院、蘇州實驗室能源環(huán)境材料部等大力支持.

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