南京工业大学最新Science

混合基质膜(MMM)将可加工聚合物与更具渗透性和选择性的填料结合在一起，具有分子分离的潜力，但在加工过程中，特别是在高填料负载时，仍然难以控制其界面相容性和实现超薄选择性层。

2023年9月21日，南京工业大学刘公平及金万勤共同通讯在Science 在线发表题为“Solid-solvent processing of ultrathin, highly loaded mixed-matrix membrane for gas separation”的研究论文，该研究提出了一个固-溶剂处理策略，以制备超薄 MMM (厚度小于100纳米)与填料负载高达80体积%。

该研究使用聚合物作为固体溶剂来溶解金属盐以形成超薄前驱体层，该前驱体层固定金属盐并调节其向金属有机框架（MOF）的转化，并提供对基质中MOF的粘附。所得膜具有快速气体筛分特性，其透氢性和/或氢-二氧化碳选择性比最先进的膜高一到两个数量级。

选择性运输小分子的亚纳米固态通道在基于膜的分离中显示出潜力。尽管聚合物膜在市场上占据主导地位，但它们通常不具有规则和连续的亚纳米通道，导致渗透性和选择性之间的固有权衡。以沸石和金属有机框架（MOF）为代表的纳米多孔晶体材料可以通过其明确的孔系统提供出色的渗透性和选择性来应对这一挑战。对于现有的纯结晶膜，仍然难以控制晶间缺陷并保持其大规模实施的可加工性。混合基质膜（MMM）已成为一类有前途的膜材料，具有将聚合物的可加工性与晶体材料的优异传输性能相结合的潜力。

MMM通常通过溶液混合策略制造。这涉及将含悬浮液的溶剂、聚合物和 MOF 填料浇注到玻璃板或多孔基板上，并让溶剂蒸发，从而形成微米厚的自立膜或亚微米厚的复合膜。在聚合物基体和MOF填料之间实现界面相容性具有挑战性，特别是当填料负载量较高（>30至40%体积）时。在溶剂蒸发过程中可能会出现填料团聚、沉降和填料-聚合物界面缺陷等问题。超薄MMM对于实际应用至关重要，但由于较小的纳米填料的团聚更明显，并且浇注溶液严重渗透到基材孔隙中，因此它们比自立式MMM更难制造。

采用固-溶剂工艺(SSP)制备混合基质膜(MMM)的示意图（图源自Science ）

该研究提出了一种用高负载MOF纳米晶体制造超薄MMMs的SSP策略。与传统膜不同，该聚合物作为固体溶剂，允许气体通过相互连接的MOF通道畅通无阻地输送，避免晶间缺陷—晶体膜的一个关键问题—导致与纯MOF膜相当的高H2-CO2选择性。同时，金属salt@polymer前驱体的可加工性和共溶性使得形成具有超渗透性的超薄选择层。该研究中使用的固体溶剂促进了填料的分散，确保了填料与聚合物之间的界面相容性，使MMM即使在高填料负荷下也能保持其完整性和柔韧性。聚合物与MOF在成膜和输运性能方面的匹配值得进一步研究。该策略不仅可以实现高负载薄膜纳米复合膜，而且为纳米材料转化为分子筛膜和相关功能涂层铺平了道路。

原文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adi1545

转自：“iNature”微信公众号

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