山东
IT之家 10 月 8 日消息，据新华社报道，天津大学姜忠义、何光伟团队成功研制出一种新型全有机混合基质膜，突破了膜分离性能与加工性难以兼顾的瓶颈，为工业气体低能耗、低成本碳捕集提供了新的材料路径。
这一成果 10 月 7 日在线发表于《自然 · 能源》，合作方还包括瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）和美国南加州大学等机构的研究人员。
▲ 单晶共价有机框架全有机混合基质膜示意图
实现“双碳”目标，碳捕集是重要一环。电厂、水泥厂、钢铁厂等排放的工业气体，二氧化碳浓度不高但总量很大，传统分离办法能耗高、成本高。膜分离技术绿色、低碳、节能，被认为是极具潜力的碳捕集技术。然而，工业烟气碳捕集要求膜兼具高渗透、高选择性、长期稳定和易规模化。混合基质膜兼具聚合物的加工性与多孔填料的高效传输能力，但两类材料性质迥异，存在相容性问题。传统办法靠增强作用力把两类材料“粘得更牢”，但效果有限，分离性能仍由聚合物主导，多孔填料很难发挥作用。
针对这一难题，研究团队受细胞膜结构启发，提出“弱界面力镶嵌”策略，将规整有序孔道的单晶共价有机框架（COF）与聚合物复合，研制出全有机混合基质膜。通过协调“填料 — 聚合物”与“填料 — 填料”相互作用，使 COF 以高填充量均匀“嵌”入膜中，真正在分子输运中“当主角”，同时保留膜的柔性与溶液加工性，构建起二氧化碳超快传输通道。据 ScienMag 报道，该团队将单晶 COF 的填充量提升至 75.5% 的体积分数，这一比例在混合基质膜领域此前被认为难以实现。在如此高的填充量下，填料不再是次要添加剂，而是成为气体分子传输的主导连续网络。
▲ 膜片形貌和微观结构示意图
在模拟烟气混合气测试中，团队制备的全有机混合基质膜的二氧化碳渗透率实现数量级上的提升，突破了文献纪录值，达到模型预测纯 COF 膜理论值的约 70%。据 ScienMag 披露的具体数据，该膜的二氧化碳渗透率达到 74,800 Barrer，同时保持约 20 的二氧化碳 / 氮气选择性。作为对比，商用聚合物膜在燃烧后碳捕集场景中的渗透率通常在数十至低数百 Barrer 量级。该膜还展现出良好的长期稳定性，在含水分、硫氧化物和氮氧化物的测试条件下性能保持稳定。
经初步技术经济分析，在设定流程与成本条件下，碳捕集成本约为 38 美元（IT之家注：现汇率约合 255.1 元人民币）每吨二氧化碳。
据能源创新评论网站报道，广东以色列理工学院林志宏团队此前采用热驱动化学改性策略，也将碳捕集成本从约 68 美元每吨降至约 38 美元每吨，降幅约 44%。根据哥伦比亚大学商学院和 Nature Sustainability 等来源的数据，膜分离法碳捕集成本一般在 26 至 80 美元每吨区间，传统胺基吸收法则在 30 至 66 美元每吨。
论文通信作者姜忠义教授表示：“把工业碳减排的难题，转化为高端膜材料的科学问题，是我们长期攻关的方向。”
该成果为开发兼顾性能、稳定性和加工性的膜材料提供了新思路，有望在电力、水泥、钢铁等行业的烟气碳捕集中应用，从而推动碳捕集膜技术走向工业应用。
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