在膜領(lǐng)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(jí)期刊《Science》在線發(fā)表了南京工業(yè)大學(xué)金萬勤教授團(tuán)隊(duì)題為“Solid-solvent processing of ultrathin, highly loaded mixed-matrix membrane for gas separation”的研究論文.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(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,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,成為近年來國際研究前沿.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缺陷混合基質(zhì)膜是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界一直以來追求的夢(mèng)想.金萬勤教授團(tuán)隊(duì)是國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.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.

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),在燃燒前碳捕集等過程極具應(yīng)用潛力,有望助力我國雙碳戰(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.

該工作從根本上解決了填料團(tuán)聚和界面缺陷兩個(gè)長期以來困擾混合基質(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).

該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(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