南京工业大学又发Science！

一、【导读】

聚合物膜在市场上占据主导地位，但它们通常不具备规则和连续的亚纳米通道，从而导致渗透性和选择性之间的失衡。以沸石和金属有机框架（MOFs）为代表的纳米多孔晶体材料可以通过其明确定义的孔隙系统提供出色的渗透性和选择性，从而应对这一挑战。对于现有的纯晶体膜，要控制晶间缺陷并保持其可加工性以实现大规模应用仍然很困难。另外，混合基质膜（MMMs）已成为一类很有前途的膜材料，有可能将聚合物的可加工性与晶体材料的优异传输特性结合起来。MMM通常采用溶液混合法制造。这包括将含有溶剂、聚合物和MOF填料的悬浮液浇铸到玻璃板或多孔基底上，然后让溶剂蒸发，形成微米厚的自立膜或亚微米厚的复合膜。实现聚合物基体和MOF填充物之间的界面相容性是一项挑战，尤其是当填充物的含量较高时（>30-40%）。在溶剂蒸发过程中，可能会出现填料团聚、沉淀和填料-聚合物界面缺陷等问题。

二、【成果掠影】

近日，南京工业大学刘公平教授、金万勤教授团队提出了一种固体溶剂加工（SSP）策略，以制造填料负载量高达80 %体积的超薄MMM，其厚度小于100纳米。具体地，研究人员使用聚合物作为固体溶剂来溶解金属盐以形成超薄前驱体层，该层固定金属盐并调节其向MOF的转化，同时为基质中的MOF提供附着力。由此产生的膜表现出快速的气体筛分性能，H₂渗透性和H₂-CO₂选择性比最先进的膜高一到两个数量级。该研究以题为“Solid-solvent processing of ultrathin, highly loaded mixed-matrix membrane for gas separation”发表在知名期刊Science上，南京工业大学为本文第一通讯单位。

这是南京工业大学2023年发表的第二篇正刊。2023年5月24日，Nature在线发表了南京工业大学柔性电子（未来技术）学院张辉老师题为“Lead immobilization for environmentally sustainable perovskite solar cells”的文章，文章前瞻性地分析了铅基钙钛矿太阳能电池中的固铅策略。张辉为文章第一作者，南京工业大学为第一作者单位。

三、【数据概览】

图1采用固溶处理（SSP）策略制造混合基质膜（MMM）示意图© 2023 AAAS

图2制备MMM的形貌表征© 2023 AAAS

图3纳米通道调控与膜传输特性和机制研究© 2023 AAAS

图4 MMM的H₂-CO₂分离性能和SSP策略的通用性© 2023 AAAS

四、【成果启示】

研究人员提出的一种SSP策略可用于制造具有高负载MOF纳米晶体的超薄MMM。与传统膜不同的是，聚合物可作为固体溶剂，使气体在相互连接的MOF通道中畅通无阻地传输，并避免了晶体膜的晶体间缺陷，从而实现了比纯MOF膜高的H₂-CO₂选择性。同时，金属盐@聚合物前驱体的可加工性和共溶性使其能够形成具有超渗透特性的超薄选择层。这项工作中使用的固体溶剂有利于填料的分散，并确保了填料与聚合物之间的界面相容性，从而使MMM即使在高填料负荷下也能保持其完整性和柔韧性。聚合物和MOF在膜形成和传输特性方面的匹配机制得进一步研究。这种策略具有可扩展性和普遍性，不仅能满足高负载薄膜纳米复合膜的要求，还为将纳米材料转化为分子筛膜和相关功能涂层奠定了基础。

原文链接：Solid-solvent processing of ultrathin, highly loaded mixed-matrix membrane for gas separation(Science,2023,381, 1350-1356)

本文由大兵哥供稿。