南京工業大學又發Science！

一、【導讀】

聚合物膜在市場上占據主導地位，但它們通常不具備規則和連續的亞納米通道，從而導致滲透性和選擇性之間的失衡。以沸石和金屬有機框架（MOFs）為代表的納米多孔晶體材料可以通過其明確定義的孔隙系統提供出色的滲透性和選擇性，從而應對這一挑戰。對于現有的純晶體膜，要控制晶間缺陷并保持其可加工性以實現大規模應用仍然很困難。另外，混合基質膜（MMMs）已成為一類很有前途的膜材料，有可能將聚合物的可加工性與晶體材料的優異傳輸特性結合起來。MMM通常采用溶液混合法制造。這包括將含有溶劑、聚合物和MOF填料的懸浮液澆鑄到玻璃板或多孔基底上，然后讓溶劑蒸發，形成微米厚的自立膜或亞微米厚的復合膜。實現聚合物基體和MOF填充物之間的界面相容性是一項挑戰，尤其是當填充物的含量較高時（>30-40%）。在溶劑蒸發過程中，可能會出現填料團聚、沉淀和填料-聚合物界面缺陷等問題。

?二、【成果掠影】

近日，南京工業大學劉公平教授、金萬勤教授團隊提出了一種固體溶劑加工（SSP）策略，以制造填料負載量高達80 %體積的超薄MMM，其厚度小于100納米。具體地，研究人員使用聚合物作為固體溶劑來溶解金屬鹽以形成超薄前驅體層，該層固定金屬鹽并調節其向MOF的轉化，同時為基質中的MOF提供附著力。由此產生的膜表現出快速的氣體篩分性能，H₂滲透性和H₂-CO₂選擇性比最先進的膜高一到兩個數量級。該研究以題為“Solid-solvent processing of ultrathin, highly loaded mixed-matrix membrane for gas separation”發表在知名期刊Science上，南京工業大學為本文第一通訊單位。

這是南京工業大學2023年發表的第二篇正刊。2023年5月24日，Nature在線發表了南京工業大學柔性電子（未來技術）學院張輝老師題為“Lead immobilization for environmentally sustainable perovskite solar cells”的文章，文章前瞻性地分析了鉛基鈣鈦礦太陽能電池中的固鉛策略。張輝為文章第一作者，南京工業大學為第一作者單位。

三、【數據概覽】

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圖1? 采用固溶處理（SSP）策略制造混合基質膜（MMM）示意圖 ? 2023 AAAS

圖2? 制備MMM的形貌表征 ? 2023 AAAS

圖3? 納米通道調控與膜傳輸特性和機制研究 ? 2023 AAAS

圖4? MMM的H₂-CO₂分離性能和SSP策略的通用性 ? 2023 AAAS

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四、【成果啟示】

研究人員提出的一種SSP策略可用于制造具有高負載MOF納米晶體的超薄MMM。與傳統膜不同的是，聚合物可作為固體溶劑，使氣體在相互連接的MOF通道中暢通無阻地傳輸，并避免了晶體膜的晶體間缺陷，從而實現了比純MOF膜高的H₂-CO₂選擇性。同時，金屬鹽@聚合物前驅體的可加工性和共溶性使其能夠形成具有超滲透特性的超薄選擇層。這項工作中使用的固體溶劑有利于填料的分散，并確保了填料與聚合物之間的界面相容性，從而使MMM即使在高填料負荷下也能保持其完整性和柔韌性。聚合物和MOF在膜形成和傳輸特性方面的匹配機制得進一步研究。這種策略具有可擴展性和普遍性，不僅能滿足高負載薄膜納米復合膜的要求，還為將納米材料轉化為分子篩膜和相關功能涂層奠定了基礎。

原文鏈接：Solid-solvent processing of ultrathin, highly loaded mixed-matrix membrane for gas separation (Science, 2023, 381, 1350-1356)

本文由大兵哥供稿。