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08
2026
-
09
AM: 仅2% MOF也能主导分子筛分，孔径匹配重塑低负载混合基质膜传输机制
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背景
混合基质膜（MMMs）试图将聚合物良好的加工性能与MOF*的分子筛孔道结合起来，为CO₂捕集、天然气净化等气体分离提供兼具高渗透与高选择性的材料平台。然而，一个长期存在的问题是：MOF加多少，才能真正影响整张膜的传输？按照传统有效介质模型，在聚合物连续相中加入少量分散填料时，气体仍主要穿过聚合物相，孤立MOF的分子筛分能力难以充分体现，因此通常需要超过30 wt.%的高填料负载才能显著改变整体分离性能。但高负载又容易带来MOF团聚、界面缺陷、膜脆化以及超薄膜难以制备等问题。降低MOF含量虽然有利于加工，却重新回到“聚合物主导传输”的困境。因而，低负载MMMs真正需要解决的并不是简单提高MOF分散性，而是如何让少量MOF的*孔道真正接入聚合物传输网络，使其筛分能力能够放大到整个膜尺度。
创新
近日，南京工业大学潘宜昌教授团队提出痕量氧介导热重组（TOTR）策略，将调控重点从“增加MOF含量”转向匹配MOF与聚合物两套孔道。在痕量氧参与下，自由基过程诱导PIM-1螺环骨架发生重排，并伴随腈基衍生的三嗪交联和局部π共轭延伸，使原本宽泛、非均一的PIM-1自由体积逐渐收缩并均一化为超微孔，从而与MOF孔口尺寸形成更好的匹配。与此同时，研究进一步构建双界面结构：MOF表面的cPIM-1相容层在热处理过程中与PIM-1基体共同重组，并通过共价耦合减少非选择性界面缺陷。这样，原本彼此孤立的“MOF微孔”和“PIM自由体积”被整合为孔径匹配的连续筛分环境，使分子在经过聚合物相时仍受到与MOF相协调的尺寸筛分，而不再简单绕过MOF。最终，仅加入2 wt.% MOF，CO₂/CH₄和CO₂/N₂选择性便达到纯PIM-1膜的近3倍，同时保持较高CO₂渗透率，并显著增强抗物理老化和抗CO₂塑化能力。
意义
这项工作的核心意义在于，它重新思考了混合基质膜中“填料发挥作用”的方式。传统MMM设计大多围绕MOF本身展开——提高填料负载、减小颗粒尺寸、改善分散或增加界面相容性，本质上仍希望让更多气体“碰到MOF”；而该研究进一步提出，不一定需要让MOF占据更多体积，也可以让聚合物孔道主动向MOF孔道靠拢。通过同时调节PIM超微孔和MOF–聚合物界面，原本性能差异明显却相互割裂的两个多孔相被转化为协同的孔径匹配传输网络，从而使仅2 wt.%的MOF也能有效表达其本征分子筛分能力。不同孔径MOF的进一步验证还表明，分离性能与MOF孔口和重组PIM-1微孔之间的匹配程度具有明确关联，支持了这一“孔径匹配”原则。更重要的是，该策略能够进一步拓展至可规模化的薄膜纳米复合膜。因此，这项工作将低负载MMM的设计从“提高填料占比”推进到“提高填料对整体传输的控制权”，为突破传统Maxwell模型下低负载填料贡献有限的问题，以及构筑低成本、低缺陷、可超薄化的高性能混合基质膜提供了新的设计方向。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/2Mg_lKDEsNjSHSr2bcno6Q
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