JACS: “分子笼成膜”：从无序混合到精准共价连接的CO₂分离新策略

为应对气候变化和工业减排需求，二氧化碳（CO₂）分离膜技术因其高效、低能耗的特点成为碳捕集研究的核心方向。传统的高分子膜虽具加工优势，却受限于经典的“通量–选择性权衡”；而金属–有机笼（MOCs）凭借分子级均一孔道与可调结构，被视为突破该瓶颈的理想填料。然而，当MOCs被物理混入聚合物形成混合基膜（MMMs）时，随着填料比例升高，笼状分子容易发生团聚与界面脱粘，在膜内形成非选择性空隙，导致性能反而下降。现有膜的MOC负载通常难以超过40 wt%，这严重限制了其潜在优势的发挥。如何在高负载下保持均匀分布与结构完整性，成为制约MOC膜应用的关键科学难题。

近日，东北师范大学朱广山、邹小勤教授团队提出了一种位点特异性共价聚合策略，实现了高负载、结构均一且高选择性的CO₂分离膜。

• 分子设计：精准可聚合的Zr-MOC单元
  研究团队设计了一种带氨基功能化的锆基金属–有机笼（ZrTNH₂），作为具有特定位点反应活性的构筑单元。这种分子笼可在溶液中保持离散分散，为后续的定向聚合创造条件。

• 共价桥接：从“混合”到“耦合”
  通过ZrTNH₂与双异氰酸酯封端的聚乙二醇（NCO–PEG–NCO）之间的亲核加成反应，研究者首次实现了笼–聚物之间的共价连接。这种聚合反应在分子层面上均匀发生，避免了传统物理混合中填料的团聚，实现了高达75 wt%的MOC负载量。

• 结构与性能：分子级有序成膜
  得益于共价交联的均一性，所得膜展现出约0.7 nm的狭窄孔径分布与仅0.86 nm的表面粗糙度（AFM测得）。CO₂渗透率达577 Barrer，CO₂/N₂选择性高达50，突破2008年Robeson上限，显著优于此前所有MOC膜。

这项工作实现了从“物理掺杂”到“化学融合”的跨越，为分子笼材料在分离膜领域的实际应用提供了新的理论与工艺基础。

• 科学意义：
  通过分子级聚合路径解决了长期存在的填料聚集与界面缺陷问题，建立了“结构–界面–性能”一体化关联模型，揭示了均一共价连接对气体传输的增强机理。

• 技术意义：
  该方法无需复杂的模板或添加剂，工艺简洁、兼容性强，可广泛推广至其他金属–有机笼及框架体系，为高负载、高选择性膜制备提供了可规模化路径。

• 应用前景：
  这种高性能ZrTNH₂–PEG膜在燃烧后CO₂捕集、天然气净化、工业尾气回收等领域具有直接应用潜力，为实现低成本碳捕集与净零排放提供了新材料支撑。

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