浙江大学徐志康教授、张超研究员团队《自然·通讯》：新型纳米纤维交织凝胶膜突破CO₂分离性能瓶颈

混合基质膜（MMMs）结合了聚合物优异的加工性和纳米材料卓越的选择性传输通道，成为超越传统聚合物膜的高效、环保分离方案，在气体分离、离子筛选和能源回收等领域具有广阔前景。然而，现有MMMs普遍面临纳米材料易聚集、与聚合物界面相容性差的问题，导致形成非选择性缺陷通道，且传输通道往往不连续、效率低下。尽管提高纳米材料负载量是构建连续通道的常见策略，但高负载下更容易引发材料团聚和沉降，反而加剧界面缺陷。因此，如何构建具有高效互联传输通道且界面完整的MMMs，一直是该领域面临的重要挑战。

浙江大学徐志康教授、张超研究员团队提出了一种创新的光热触发原位凝胶化策略，成功研制出一类新型纳米纤维交织凝胶膜（NIGMs）。该膜以碳纳米管（CNT）交织骨架为核心，既作为光热受限反应器触发高选择性亲CO₂凝胶的原位形成，又构建了三维互联的超快CO₂传输通道。NIGMs表现出卓越的CO₂渗透性能（2110 GPU）和极高的选择性（CO₂/N₂为151，CO₂/CH₄为47），其性能远超传统凝胶膜和大多数已报道的MMMs，且具备优异的长期运行稳定性。相关论文以“Nanofiber-interwoven gel membranes with tunable 3D-interconnected transport channels for efficient CO2 separation”为题，发表在

Nature Communications

受心肌纤维密集堆叠结构启发，研究团队设计了由CNT交织骨架和亲CO₂凝胶基质组成的NIGMs。图1a通过类比心肌纤维快速传递信号的机制，形象展示了NIGMs中纳米纤维骨架如何促进CO₂的高效传输。图1b进一步通过对比传统聚合物膜、普通MMMs与NIGMs的性能数据，突出其在高渗透性和高选择性方面的双重突破，显著超越多种常用聚合物材料。

图1 | NIGMs的设计理念与性能对比 a. 受心肌纤维结构启发，NIGMs通过纳米纤维交织骨架实现CO₂快速传输。 b. NIGMs与传统聚合物膜及MMMs的性能对比，显示其在高渗透性和高选择性方面的优势。

图2展示了NIGMs的制备过程与结构特征。通过光热触发原位凝胶化方法，CNT骨架在太阳光照射下迅速升温，引发凝胶前体聚合，形成无缺陷的复合结构。图2b-c的动态温度与单体转化曲线表明，该过程高效且可控；图2d-f的AFM、SEM和TEM图像清晰显示CNT骨架被凝胶完全包覆，界面完整无缺陷，且膜厚度均匀约为4μm，具备规模化制备潜力。

图2 | NIGMs的制备与结构表征 a. 光热触发原位凝胶化制备过程的示意图。 b. CNT骨架在不同光照时间下的红外热成像图。 c. 反应过程中温度与单体转化率的动态曲线。 d-e. 密集堆叠的CNT骨架及NIGMs表面的AFM和SEM图像。 f. NIGMs的截面TEM与SEM图像，显示CNT骨架被凝胶完全包覆。

图3通过对比纯凝胶膜（GMs）、NIGMs及表面覆盖凝胶层的NIGMs，系统评估了CO₂分离性能。NIGMs的CO₂渗透性达到2110 GPU，是纯凝胶膜的16.6倍，CO₂/N₂选择性也提高至151。覆盖凝胶层后性能显著下降，突显了三维连续传输通道的关键作用。图3e进一步将NIGMs与文献报道的MMMs进行对比，显示其在渗透性和选择性提升幅度方面均处于领先地位。

图3 | NIGMs的CO₂分离性能提升 a. GMs、NIGMs和凝胶覆盖NIGMs的结构示意图。 b. 三者截面图像及凝胶层厚度对比。 c-d. CO₂渗透性和CO₂/N₂选择性对比。 e. NIGMs与文献报道MMMs在渗透性和选择性提升幅度方面的对比。

图4研究了不同长度CNT构成的骨架结构对性能的影响。长、中、短三种CNT制备的NIGMs（L-, M-, S-NIGMs）表现出明显不同的骨架密度与凝胶分布。S-NIGMs因具有更均匀、致密的CNT-凝胶互穿结构，表现出最优的CO₂渗透性（2110 GPU）和选择性（151）。气体溶解与扩散测试表明，CO₂传输主要由扩散过程主导，CNT骨架显著提升了气体扩散系数与自由体积分数。

图4 | 不同CNT骨架结构对CO₂传输机制的影响 a. 长、中、短CNT制备的NIGMs的TEM图像及结构示意图。 b. 不同NIGMs的CO₂渗透性和CO₂/N₂选择性。 c. CO₂/N₂吸附选择性与扩散选择性对比。 d. CO₂在PEG基质和CNT附近的扩散路径示意图。

图5总结了NIGMs在CO₂/N₂和CO₂/CH₄分离中的综合性能，其表现超越2019年Upper Bound上限，显示出在实际碳捕集和天然气净化中的应用潜力。长期运行测试表明，NIGMs在480小时后仍保持稳定性能，渗透性和选择性仅略有下降，具备良好的耐久性。此外，膜在高温高湿环境中仍保持可逆的响应性能，进一步证明其在实际环境中的适用性。

图5 | NIGMs的优异与持久CO₂分离性能 a-b. NIGMs在CO₂/N₂和CO₂/CH₄分离中与文献报道膜的性能对比。 c. NIGMs在长期运行中渗透性与选择性的变化情况。

总结与展望

该研究通过仿生设计理念和光热触发原位凝胶化技术，成功构建了一类具有三维互联传输通道和高界面相容性的纳米纤维交织凝胶膜，实现了CO₂分离性能的显著提升。NIGMs不仅在高渗透性和高选择性之间取得了良好平衡，还展现出优异的稳定性和环境适应性。该策略为开发高性能混合基质膜提供了新思路，可扩展到其他分离体系如水净化、离子筛分等领域，推动先进分离膜的实用化进程。

来源：高分子科学前沿

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