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28
2026
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08
Science子刊：等离子体“秒级”重塑碳分子筛，兼顾高氢气选择性与一年以上抗老化稳定性
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背景
高纯氢气是低碳能源体系的重要基础，但蒸汽甲烷重整、水煤气变换以及甲烷热解等制氢过程通常得到含CO₂、CH₄等杂质的混合气体，后续氢气纯化过程成本和能耗较高。膜分离具有连续运行、设备紧凑和能耗低等优势，但传统聚合物膜受制于渗透性–选择性权衡，H₂/CO₂选择性通常较低；钯基膜虽然具有优异的氢气传输性能，却面临成本、氢脆和杂质中毒等问题。碳分子筛（CMS）膜凭借刚性的超微孔结构以及优异的热化学稳定性，被认为是*具潜力的高温氢气分离材料。然而，CMS内部碳链段排列和堆积难以实现*调控，微小的孔结构差异就可能造成CO₂共渗透和竞争吸附，使H₂/CO₂选择性通常低于10。与此同时，CMS还普遍存在物理老化问题，因此，如何在保持高H₂渗透率的同时*收紧超微孔，并长期稳定这一结构，是其走向实际应用的关键挑战。
创新
针对这一问题，研究人员提出了一种*其简单快速的热解后等离子体工程策略，仅通过数十秒的N₂或Ar等离子体处理，即可同步调控CMS膜的表面化学和超微孔结构。等离子体中的高能粒子可在碳骨架中产生缺陷，并通过后续氧化或氮元素引入重新组织碳链段：Ar等离子体主要通过缺陷辅助氧化促进碳链段更加紧密排列，而N₂等离子体还可进一步通过氮掺杂精细调节碳基质，从而形成更加适合H₂动力学筛分的超微孔。处理后膜的H₂/CO₂选择性较原始膜提高超过40倍，H₂/CH₄选择性提高超过137倍，同时仍可保持超过1000 Barrer的高H₂渗透率；进一步结合高温热解后，实现了H₂/CO₂选择性268.16和H₂渗透率超过130 Barrer的性能组合，H₂/CH₄体系则达到6421.94的选择性和超过1638 Barrer的H₂渗透率。更值得关注的是，等离子体处理同时显著稳定了CMS微孔结构，经过425天老化后，部分膜的H₂渗透率仅下降约1.8%，选择性几乎没有变化。
意义
这项工作的价值在于，等离子体处理并非简单的表面功能化，而是提供了一种通过缺陷生成–表面氧化/杂原子引入–碳链段重排–超微孔收紧实现CMS孔结构*调控的新路径，从而同时解决了长期困扰CMS膜的三个问题：渗透率、选择性和物理老化稳定性。与复杂的前驱体分子设计、混合基质构筑或多步后处理相比，该方法具有处理时间短、无溶剂、工艺简单且主要作用于表层结构等优势，并有望推广至不同聚合物前驱体制备的CMS膜。值得注意的是，等离子体处理后的膜在425天后H₂渗透性能波动仍低于11%，并可在100 °C、5 bar条件下连续运行170 h而保持稳定的H₂渗透率和H₂/CO₂选择性。由此，这项研究不仅将CMS膜的H₂分离性能推向新的高度，也表明等离子体工程有望成为兼顾“*孔径调控”与“结构锁定”的通用后处理平台，为低能耗氢气纯化以及其他高难度气体分离提供新的材料设计思路。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/XAZtCFOl_jlXeM3OuCZ0RA
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