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2026

Science子刊：“内孔层叠”，二维纳米片膜让氢气分离更快、更省、更稳

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背景

随着“氢能社会”逐渐成为全球共识，高纯氢制备与提纯技术成为实现绿色能源闭环的关键环节。传统的高压变吸附（PSA）与深冷精馏虽然成熟，但能耗高、流程复杂，不适合分布式或可再生能源制氢场景。相比之下，膜分离技术因其低能耗、连续运行、结构紧凑而被视为具潜力的氢气纯化方案。近年来，二维（2D）材料膜——如石墨烯、MXene、MOF、COF等——在氢分离领域表现突出。它们可以通过纳米级通道筛分分子，实现“g效通—精z拒”。然而，现有体系仍面临两大瓶颈：层状膜（如GO膜）通道曲折、通量受限；纳米多孔膜（如COF膜）制备复杂、孔径不匹配、可放大性差。如何同时兼顾“层状结构的可加工性”与“纳孔通道的高速筛分性”，成为实现高性能氢气分离膜的核心挑战。

创新

近日，西安交通大学孙成珍教授团队提出了一种“内孔层叠”策略：通过将具有本征纳孔的聚合物碳氮化物（PCN）纳米片组装成层状结构，构建出兼具高通量与高选择性的二维层叠纳米片膜。

结构设计：从“无孔层”到“自带纳孔”

与传统层状膜依赖片层间隙传输不同，PCN本身含有规则的三嗪环纳孔（~3.1 Å），能够直接充当分子筛分通道，实现“片内快速通、片间短程扩散”，大幅缩短气体传输路径。

界面调控：MXene“补片”修复缺陷

研究者引入MXene纳米片作为“强界面贴合补丁”，利用其优异的化学活性与PCN之间的强相互作用，精z覆盖并修复PCN在剥离过程中的结构缺陷。该设计不仅防止气体旁路泄漏，还促进层间有序堆叠，显著提升膜的结构完整性与稳定性。

性能表现：高通量与长期稳定并存

所制MXene/PCN复合膜实现了870–8046 GPU的H₂渗透通量，并在保持高选择性的同时维持130小时以上稳定运行。模拟结果证实其气体传输由尺寸筛分主导而非Knudsen扩散。经济分析显示，膜面积需求和能耗均大幅降低，具备产业化潜力。

意义

这项工作开辟了二维膜设计的新范式——以“自带筛孔”的纳米片堆叠取代传统孔道构筑，在概念与应用上均实现突破。

科学意义：

研究揭示了“纳孔-层叠”协同机制对分子通量与选择性提升的作用规律，并提出了二维材料缺陷修复与界面强化的新策略，为未来高性能气体分离膜的结构设计提供了通用思路。