《Science》报道南京工业大学金万勤团队

在膜领域的重大突破“固态溶剂法制备超薄超高掺杂量的混合基质膜”

2023年9月22日,国际顶级期刊《Science》在线发表了南京工业大学金万勤教授团队题为“Solid-solvent processing of ultrathin, highly loaded mixed-matrix membrane for gas separation”的研究论文.我校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.

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.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而后通过原位转化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.

实验结果表明,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,在燃烧前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.“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.目前,团队在国家重点研发项目的资助下,正在开展混合基质膜的放大制备与应用技术研究.

该工作从根本上解决了填料团聚和界面缺陷两个长期以来困扰混合基质膜发展的技术难题,并首次从实验上证明了超薄超高掺杂混合基质膜的可行性,也为发展基于纳米材料的超薄分离膜及功能涂层提供了新思路和理论技术基础.该工作被同期《Science》以“超薄膜筛分气体Ultrathin membranes to sieve gases”为题进行专题观点评述(Perspective).

该研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、协同创新中心等项目资助,以及材料化学工程国家重点实验室、南京工业大学化工学院、苏州实验室能源环境材料部等大力支持.

论文链接:https://doi.org/10.1126/science.adi1545