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06
2026
-
03
Nat. Commun.: 从“原始膜”到可编程孔道，石墨烯量子点膜开启气体分离定制时代
作者：
一、背景：为何气体分离膜总是“量身定做”？
膜分离因能耗低、流程简单，被视为替代蒸馏与吸附的重要技术路线。然而，在实际应用中，一个突出难题始终存在——不同气体体系往往需要不同孔径结构的膜材料。例如：CO₂/N₂分离需要兼顾分子筛分与CO₂亲和性；CO₂/CH₄分离依赖更精细的孔径差；C₃H₆/C₃H₈分离则要求亚埃级孔结构**匹配。目前主流的分子筛膜（如沸石、MOF等）虽然具备**孔道，但其“固定孔径”既是优势也是限制。一旦目标分离体系改变，往往需要重新设计材料与制膜工艺，开发周期长、成本高。因此，如果能够构建一种标准化“原始膜”，再通过后期调控实现孔径可编程调整，将**提升膜技术的适应性与产业化潜力。
二、创新：以石墨烯量子点构建可后调控孔结构膜
近日，中科院大连化物所杨维慎、朱雪峰研究员团队提出了一种“后调控”策略：先构建连续GQD原始膜，再通过热处理与小分子交联**调节孔结构。核心设计思路包括：
构建连续GQD膜骨架
以尺寸<10 nm的石墨烯量子点（GQDs）为基本构筑单元，通过热喷涂形成致密堆叠结构。由于GQDs为零维纳米颗粒，其组装结构对气体传输的“固有孔道限制”较小，更利于后期调控。
小分子原位交联调控孔径
在惰性气氛下热处理，并利用聚乙烯亚胺（PEI）热解产物进行原位交联，实现“化学焊接”式孔结构重构。
温度控制实现亚埃级孔调节
通过调节热处理温度，改变交联程度，从而**调节孔结构与表面官能团分布。
这种策略实现了两大协同效应：
可调节的埃级孔径筛分效应
增强的CO₂亲和吸附能力
最终膜性能表现为：
CO₂渗透率 > 1000 GPU
CO₂/N₂ 与 CO₂/CH₄ 分离因子 > 40
性能可通过温度调节跨越工业分离指标
更重要的是，在更高交联温度下，膜结构可拓展至更具挑战性的C₃H₆/C₃H₈分离体系，展现高度通用性。
三、意义：建立“后调控”膜设计新范式
该研究的突破意义体现在三个层面：
1. 从“材料定制”走向“结构后编程”
无需为每种气体体系重新开发材料，只需对原始膜进行后期孔结构调控。
2. 打破分子筛膜“固定孔径”限制
通过小分子交联与热处理，实现亚埃级孔径动态调节。
3. 提供可扩展的定制路径
通过改变：交联温度、交联分子种类、GQD表面官能团即可针对不同气体体系进行快速优化。
这一策略不仅提升了CO₂捕集性能，也为烯烃/烷烃等难分体系提供了可行路径。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/GdAZjOJj7MkJ0ASnZNW5NA
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