南京工业大学金万勤团队在膜领域取得重大突破

南京工业大学陈桂宁博士后为第一作者、刘平正传授和金万勤传授为配合通信作者，介入单元单子有沙特阿卜杜拉国王科技大学和姑苏实验室。

这是该团队继二维材料膜（Nature, 2017, 550, 380）和金属有机框架膜（Nature Materials, 2023, 22, 769）研究工作以来，在限域传质膜这一前沿偏向取得的另一重猛进展。

分子星散在化工、能源和情况等范畴具有主要地位，比拟传统星散手艺，膜星散具有能耗低和情况友好等优势。将高机能无机填料掺杂在聚合物中制备夹杂基质膜，有望冲破聚合物膜渗透性和选择性的制约关系，成为近年来国际研究前沿。

然而，夹杂基质膜仍未大规模应用，面临填料团聚和界面缺陷的重大挑战，若何制备超薄超高掺杂的无缺陷夹杂基质膜是学术界和财富界一向以来追求的妄想。

金万勤传授团队是国际上较早开展夹杂基质膜研究的团队之一，基于持续多年的研究储蓄以及对要害科学问题的深入懂得，他们跳出传统脑筋模式，提出“固态溶剂法”制备夹杂基质膜，研究将聚合物作为固态溶剂，消融填料的前驱体（金属盐）并将其涂覆在多孔载体外观形成超薄膜层，尔后将聚合物中的前驱体原位转化成填料（金属盐与有机配体蒸气回响形成金属有机框架）。

区别于传统的“合成填料—涣散填料—填料与聚合物夹杂”制备夹杂基质膜的复杂工艺，该方式仅需在聚合物中消融高含量前驱体即可实现高含量填料的平均超薄化掺杂，同时组织了以填料为主体相的新型夹杂基质膜构造，填料之间形成的贯穿孔道为分子供应超快传输通道。

图1：膜制备示意图

实验究竟表明，“固态溶剂法”制备的夹杂基质膜厚度仅为50 nm，填料掺杂量高达80%以上。基于超薄膜层和填充的贯穿筛分孔道，该夹杂基质膜示意出类无机膜（纯填充相）的优异星散机能，氢气/二氧化碳星散机能凌驾现有聚合物膜和夹杂基质膜1~2个数量级，在碳捕集等过程极具应用潜力，有望助力我国双碳计谋方针的实施。

此外，“固态溶剂法”首要依靠聚合物膜的加工制备手艺，是以易于放大制备成超薄的平板型和中空纤维型夹杂基质膜，且适用于分歧类型的填料和聚合物基质，示意出精巧的规模化制备前景与膜材料普适性，已获授权中国发现专利ZL202210222277.3，并申请美国专利US 18/165235。今朝，团队在国度重点研发项目（2022YFB3804800）的帮助下，正在开展夹杂基质膜的放大制备与应用手艺研究。

图2：膜构造与星散机能

该工作从基本上解决了填料团聚和界面缺陷两个历久以来困扰夹杂基质膜成长的手艺难题，并首次从实验上证实了超薄超高掺杂夹杂基质膜的可行性，也为成长基于纳米材料的超薄星散膜及功能涂层供应了新思路和理论手艺根蒂。

该工作被同期《Science》以“超薄膜筛分气体Ultrathin membranes to sieve gases”为题进行专题概念评述（Perspective）。

这一研究是该团队在夹杂基质膜偏向十多年对峙不懈研究的究竟。早在2008年，金万勤传授就放置了其时在课题组做本科卒业论文的刘平正测验制备基于沸石填料的夹杂基质膜，尔后提出了填料外观接枝/涂覆策略，制备了高涣散性的分子筛夹杂基质膜（Chem. Eng. J., 2011, 174, 495；美国专利US8809420 B2）。2015年，他们提出了高分子诱导组装方式，制备了具有层间筛分通道的二维材料夹杂基质膜（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 578；中国发现专利ZL201410526519.3），该工作被美国工程院院士耶鲁大学Elimelech传授在Science上评价为冲破膜渗透性-选择性制约关系的两亨衢径之一。此次，团队索求了“固态溶剂法”制备超薄超高掺杂量的夹杂基质膜，陈桂宁博士生经由三年多的实验研究，终于获得成功。

“这一工作要感激导师徐南平院士的历久指导和鼓励，他倡导做研究要‘接近科学、接近工程’、‘挖井要挖到出水’，感激平正和桂宁等学生，是他们经由孜孜不倦的起劲和无数次的测验才获得好的究竟。”金万勤说道。

该研究获得了国度重点研发项目、国度天然科学基金、协同立异中心等项目帮助，以及材料化学工程国度重点实验室、南京工业大学化工学院、姑苏实验室能源情况材料部等鼎力支撑。

（起原：南京工业大学）