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06
2026
-
08
Science子刊：一膜两用，可切换CO₂/氢气分离的新一代智能水凝胶膜
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背景
在碳捕集与氢能利用等关键能源过程中，CO₂与H₂的高效分离至关重要，但这两种气体的分离往往依赖截然不同的机制：CO₂选择性膜通常依赖溶解扩散与亲和作用，而H₂选择性则更多依赖分子筛分效应。因此，传统膜材料通常只能在两种模式中“二选一”，难以同时兼顾，更无法在不同应用场景中灵活切换。此外，常见聚合物膜存在渗透性与选择性的权衡问题，而分子筛类膜又面临加工困难和规模化受限的挑战，使得开发兼具高性能与多功能性的膜材料成为该领域的核心难题。
创新
近日，中科院大连化物所杨维慎、彭媛研究员团队通过构建金属有机多面体（MOP）–水凝胶复合膜，实现了气体分离性能的“可切换”与“反转”。通过分子级共聚策略，将功能化Zr-MOP均匀嵌入双网络水凝胶中，不仅解决了填料分散与界面兼容问题，还构建了稳定的复合结构。在含水状态下，水凝胶中的氢键网络与MOP结构协同作用，形成对CO₂高度亲和的传输通道，实现CO₂优先渗透（CO₂/H₂分离因子达44，CO₂渗透率高达7025 Barrer）；而当膜脱水收缩时，水凝胶体积减小促使MOP笼结构重新排列并暴露其分子筛窗口，转而实现以尺寸筛分为主导的H₂优先传输（H₂/CO₂分离因子高达798）。这一转变过程不仅可逆，还可通过pH调控，实现对分离行为的精细控制。
意义
该工作突破了传统膜分离“单一功能”的限制，在同一膜体系中实现CO₂选择性与H₂选择性的可逆切换，为多场景气体分离提供了全新解决方案。通过将分子笼结构与响应性水凝胶有机结合，不仅实现了分离机制的动态调控，也兼具良好的加工性、自修复能力与规模化潜力。从更广泛的角度看，这种“结构响应驱动功能切换”的设计理念，为构建智能分离膜材料提供了重要范式，有望在碳捕集、氢气纯化及可再生能源体系中发挥关键作用，推动膜技术向更加灵活、高效和可持续的方向发展。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/xuSQn1MeyviquXUviPatjg
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