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2026

Nat. Commun.: 分子识别“窗口”助力高纯氦提取，Matrimid-Cyclen混合基质膜实现He/CH₄选择性

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一、背景：天然气中“稀有氦”的分离难题

氦气（He）作为一种极其稀缺且不可再生的战略资源，广泛应用于航天、半导体制造、医疗成像及低温科研等领域。随着高技术产业快速发展，全球氦气需求每年以5–7%的速度增长。然而，自然界中可提取氦气主要来自天然气资源，而多数天然气藏中氦气含量仅约0.3%，属于“痕量组分”。目前工业上氦气分离主要依赖深冷蒸馏或变压吸附等高能耗工艺。膜分离技术因其低能耗、流程简单而成为潜在替代方案。但要从超低浓度天然气中有效富集氦气，膜材料必须满足一个严苛标准：He/CH₄选择性大于1000。传统聚合物膜虽具备良好加工性与成本优势，但受限于“渗透率–选择性”权衡关系，通常难以突破这一门槛。分子筛型材料虽可实现高选择性，却存在机械性能不足、界面缺陷等问题。混合基质膜（MMMs）结合了聚合物与填料的优势，但填料分散不良与界面不匹配问题，往往导致非选择性缺陷，限制性能提升。如何在保证界面相容性的前提下，实现**He/CH₄选择性，是当前氦气分离膜领域的核心挑战。

二、创新：构建“分子识别窗口”，调控链间堆积与亚微孔结构

近日，中国科学技术大学刘江涛教授团队通过引入可溶性大环分子Cyclen，构建了一种具有“分子识别窗口”的Matrimid混合基质膜，实现**氦气选择性。

1. Cyclen作为结构调控因子

Cyclen为具有3.2–3.4 Å内环尺寸的有机大环分子，尺寸接近氦气（2.60 Å）与甲烷（3.80 Å）之间的临界分界。其丰富的二级胺基可与Matrimid分子链中的羰基形成强氢键作用，从而：

加强聚合物链间堆积密度；

缩小链间间距；

提升对大分子气体（如CH₄、N₂）的扩散阻力。

2. 双重调控机制：致密化 + 分子窗口

一方面，氢键增强作用使膜结构更加致密，有效阻挡CH₄；

另一方面，Cyclen内部的特定空腔尺寸为He提供优先传输通道，实现“小分子快速通行，大分子受限扩散”的分子筛效应。

分子动力学模拟表明，Cyclen的引入构建了更加可调控的微孔通道结构，促进He**扩散。

3. 突破性分离性能

在仅5% Cyclen添加量下，膜的He/CH₄选择性达到1660。更为显著的是，在110天物理老化后，He/CH₄选择性高达6788，远超绝大多数聚合物膜，并可媲美部分先进碳分子筛（CMS）膜。此外，该膜在H₂/CH₄、CO₂/N₂及CO₂/CH₄分离中也**超越2008年Robeson上限，展现出优异的综合气体分离能力。

三、意义：为**选择性氦分离提供可工业化路径

本研究在材料设计与工业应用层面均具有重要意义：

1. 提出“分子识别窗口”设计理念

不同于传统无机纳米填料，本工作利用可溶性大环分子，通过分子尺度识别与氢键调控，实现优异界面相容性与结构可控性，避免填料团聚与界面缺陷问题。

2. 打破聚合物膜选择性极限

在Matrimid这一商业化基体上实现**He/CH₄选择性，证明通过精细链间结构调控，可突破传统Robeson上限限制。

3. 提供稳定老化增强效应

物理老化过程中选择性进一步提升，说明膜结构在时间尺度上趋于更有利的致密排布，为工业长期运行提供可靠保障。

4. 推动高纯氦与天然气资源化利用

该膜在天然气中氦气提取、氢气纯化以及CO₂捕集等方面均具有应用潜力，为低能耗**气体分离技术提供可规模化解决方案。