超薄高分子膜中“原位”造出晶体通道，高效分离氢气和二氧化碳

本文报道了一种名为‘结晶通道锚定聚合物膜’（CAP）的新型气体分离膜材料，专为高温高压下高效分离氢气（H₂）与二氧化碳（CO₂）而设计。传统聚合物膜受限于‘渗透性-选择性权衡’难题：要么透氢快但分不清H₂和CO₂，要么选择性高但透氢太慢。本研究创新性地提出‘竞争反应界面聚合’（CRIP）策略——在超薄聚合物网络成膜过程中，让两种单体（TMC和BTC）在水-油界面‘竞争反应’：反应活性更高的TMC率先与二胺（MPD）形成无序聚酰胺（PA）基质；随后BTC参与反应，原位生成含亚胺键和酰胺键的刚性晶体结构。这些晶体片段并非外加填料，而是化学键合、紧密锚定在聚合物网络中的‘自生长通道’，既避免了传统混合基质膜（MMM）中填料团聚、界面缺陷等顽疾，又赋予膜优异的尺寸筛分能力和结构稳定性。实验证实，CAP膜厚度仅约20纳米，其晶体孔道最可能孔径为0.34纳米，恰好介于H₂（动力学直径0.29 nm）与CO₂（0.33 nm）之间，可精准筛分；同时，刚性晶体骨架有效抑制了高温高压下聚合物链过度堆积或溶胀，维持通畅的气体传输路径。在模拟工业工况（150°C、11 bar）下，该膜稳定运行90小时，H₂/CO₂选择性达85，H₂透量为184 GPU；在更高温度250°C、2 bar下，选择性更高达207，H₂透量321 GPU。即使引入2.3%湿度，膜性能也能快速恢复。分子动力学模拟进一步证实：小分子H₂可快速穿过自由体积，而较大CO₂受晶体孔道限制，迁移更慢，从而实现高效分离。该技术所用原料和基底均为市售产品，工艺可放大，为氢能纯化与燃烧前碳捕集提供了兼具高性能、高稳定性和工程可行性的全新膜材料。