近日，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。
实现“双碳”目标，碳捕集是重要一环。所谓“碳捕集”，就是捕捉释放到大气中的二氧化碳，压缩后，封存到枯竭的油田或其他安全的地下场所。电厂、水泥厂、钢铁厂等排放的工业气体，二氧化碳浓度不高、总量却极大，要把它们“筛”出来，传统办法能耗高、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。
膜，是膜分离技术的“筛子”。面对工业烟气，膜既要让二氧化碳快速穿过，又要有效截留其他气体，还需长期稳定、易于规模化加工，这些要求成为碳捕集膜材料研究的前沿与挑战。混合基质膜能把聚合物的良好加工性与多孔填料的高效传输能力结合起来，在低能耗碳捕集技术中占据重要地位。但两类材料性质迥异，首先要解决其相容性问题：多孔填料的引入常伴随颗粒团聚、沉降和界面缺陷，使其内部孔道的传质优势难以充分发挥。传统办法常靠增大作用力把填料和聚合物“粘得更牢”，但效果有限，还易引起界面聚合物链硬化、填料孔道堵塞等副作用。结果填充量上不去，分离性能仍由聚合物基质主导。
对此，研究团队受细胞膜全有机镶嵌结构启发，提出了“弱界面作用镶嵌”策略，将具有规整有序孔道的单晶共价有机框架（COF）与高分子聚合物复合，研制出全有机混合基质膜。通过设计低表面能的填料，同时协调“填料—聚合物”与“填料—填料”两类相互作用，在界面结合力够用的前提下，抑制填料彼此黏附、抱团。由此，COF就能以高填充量、均匀地“嵌”进膜里，结构保持“高保真”，性能上真正“当主角”。这种膜在充分保留膜材料柔性与溶液加工性的同时，构建起二氧化碳快速传输通道。
在模拟烟气混合气测试中，团队制备出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%。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/吨二氧化碳。
“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。”团队负责人姜忠义教授表示，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，推动碳捕集膜技术走向工业应用。