多孔材料基混合基質膜在二氧化碳分離領域研究進展

摘 要： 混合基質膜兼具聚合物基質和無機/有機填料的優點，成為未來氣體分離膜的理想選擇。填充材料是混合基質膜的核心部分，其選擇與設計極大地影響了薄膜的分離性能。概述了2014—2023年不同類型多孔材料用于制備混合基質膜的研究，從氣體選擇性、滲透性、穩定性等方面來評價薄膜的分離性能。簡要總結了混合基質膜在工業應用中所面臨的挑戰，為后續新型混合基質膜的設計及研發提供新思路。

關 鍵 詞：混合基質膜；填充材料；分離性能；多孔材料

中圖分類號：TQ050.4+3 文獻標志碼： A 文章編號： 1004-0935（2024）09-1430-04

近年來，隨著中國工業高度密集化發展，對傳統化石能源過度依賴，導致二氧化碳（CO）排放量不斷增加，進而引起溫室效應、冰川融化等一系列環境問題。除了對環境的負面影響，CO是最簡單的C化合物，可作為生產含碳有機物的化學原料，并且早日實現碳中和的全球倡議也逐漸在多個國家展開^[1-2]。因此，基于環保和能源雙方面考慮，對排放的CO進行高效、準確地捕獲和分離，逐漸成了學者廣泛研究與討論的熱門話題^[3]。目前，氣體分離技術主要有冷凝、低溫蒸餾、吸收吸附和膜分離技術^[4]。相較于前3種能源密集型分離技術，膜分離憑借同等條件下分離效率高、操作容易、成本低廉和環境友好等特點，被認為是最有前景的新型低碳技術。據報道，如果用膜分離替代傳統的精餾能夠節能90%左右^[5]。因此，氣體分離的發展離不開先進膜技術的開發。

膜材料是膜分離技術的基礎和核心，滲透性和選擇性是評價膜分離性能的兩大關鍵指標。與純聚合物膜或單晶膜相比，混合基質膜（MMMs）結合了聚合物基質和無機或有機填充劑的優勢而成為薄膜領域的發展前沿。然而，合成出分離性能出色、加工性能優異、機械強度高、穩定性好的MMMs仍是一項充滿挑戰的任務，這也是MMMs實現商業化和工業應用的基本標準。其中，開發先進的功能填充材料對制備無缺陷、高氣體分離性能的MMMs具有重要的學術價值和應用潛力。目前，研究者常用的功能填料主要包括沸石分子篩、金屬有機框架材料（MOFs）和多孔有機框架材料（POFs）。詳細討論了上述多孔填料基MMMs的合成工藝，總結了MMMs在氣體分離中的應用。最后，簡要闡述MMMs在工業應用中所面臨的挑戰，為高性能膜材料的設計合成提供指導，以滿足清潔能源和環境可持續性發展的迫切需求。

1 多孔填料的選擇

1.1 沸石分子篩

沸石分子篩是一類無機多孔材料，具有比表面積大、孔道分布均勻、穩定性好等優點，在對氣體混合物進行分離過程中，氣體分子和分子篩間的相互作用力較小，可根據氣體分子動力學直徑的差異性來實現有效分離^[6-7]。目前，常將有序介孔氧化硅、13X沸石、5A沸石、MCM-41^[8]等作為MMMs的填料用于氣體分離。

由于涉及2種不同物理化學性質的材料復合，制備高氣體分離性能的沸石分子篩基MMMs面臨重大挑戰：無機填料和聚合物基質之間的結合力較差，容易在兩相界面處形成非選擇性孔洞，或導致填料顆粒的團聚，嚴重降低MMMs的分離性能。因此，為了提高兩相界面相容性，研究者做出了大量的探究。何玉鵬^[9]首先將MCM-41分子篩表面氨基化，然后分散到聚乙烯基胺（PVAm）聚合物中形成鑄膜液。氨基的加入提高了MCM-41與聚合物的相容性，與純PVAm膜相比，無缺陷、致密的PVAm-MCM-NH/PSf-0.2 MMMs的CO滲透通量提高了330%，分離指數提高了160%。此外，填充物顆粒尺寸也是影響MMMs中兩相界面相容性因素之一。LI等^[10]以Matrimid^?5218為聚合物基質，合成了粒徑為100 nm和1 μm的5A沸石為填充物，研究結果表明，由于納米級填料增加了與聚合物基質之間的接觸面積，因此100 nm 5A沸石摻雜的MMMs顯著提高CO滲透率和分子選擇性。王改梅^[11]通過微波輔助法合成納米級AIPO-18作為填料，隨后與易加工、高孔隙率的固有微孔聚合物PIM-1復合，研究結果表明，隨著負載量的增加，MMMs的選擇性和滲透通量均有所提高。

1.2 MOFs

MOFs是一類新型的無機-有機雜化材料，由金屬離子或團簇和多齒有機配體通過配位鍵自組裝形成的一維、二維或三維有序多孔結構^[12]。與傳統的沸石分子篩等無機填料相比，MOFs具有以下獨特優勢：MOFs骨架中的有機組分賦予了其與聚合物鏈之間更好的相互作用（相似相溶），提高二者相容性^[13]；在孔道、結構、性質方面具有可設計性和可調節性，為特定分離體系進行材料篩選提供了更多可能性。正是基于這些特點，MOFs被公認為是極具發展潛力的新一代填充材料^[14]。自2004年首次報道基于MOFs摻雜的MMMs以來，國內外學者們在MOFs復合膜方面的報道呈指數增長，天津大學姜忠義組、南京工業大學金萬勤組、東北師范大學朱廣山組等開展了頗具特色的研究，涵蓋了MOFs復合膜的設計策略、合成方法及其在氣體吸附分離領域中的應用。典型填料包括ZIFs、Cu-MOFs、MILs系列、MOF-74系列和UiO-66系列。

CHEN等^[15]以MOF-801為填料、PIM-1為基質，通過使用物理共混法制備MOF-801/PIM-1 MMMs。與純PIM-1膜相比，MOF-801/PIM-1在氣體分離性能測試中表現優異，CO/N分離指數為27。此外，該MMMs具有良好的抗老化性能，在經過連續測試90天后，CO滲透通量仍可保持在70%以上。陳淑慧等^[16]對MIL-101填料分別進行氨基化、硝基化、羥基化改性，探究了不同基團對氣體分離性能的影響。ZHOU等^[17]合成了化學穩定、多級孔的CeBTB為6FDA-DAM基質的填料，氣體滲透實驗和擴散系數結果表明，CeBTB填料中豐富的微、介孔為氣體分子快速傳輸提供了獨特通道，有助于提高CO的滲透率。CeBTB/6FDA-DAM在干、濕2種狀態下的CO/CH分離性能均超過了2008年的羅伯遜上限值，表明該膜在工業上具有巨大的應用潛力。

精準調控界面相互作用以最大程度降低MMMs中的缺陷是提高薄膜氣體分離性能的關鍵。FAN等^[18]將咪唑基團引入到聚酰亞胺鏈節中，然后通過常規物理混合法與ZIF-8復合。6FDA-BI/ZIF-8膜展現出良好的界面相容性主要源于以下兩方面：6FDA-BI與ZIF-8結構中都含有咪唑基團，結構相似性可增加二者相互作用力；6FDA-BI中咪唑段氮原子可與金屬離子（Zn²⁺）配位交聯，強化了聚合物/ZIF-8的相互作用。HUSNA等^[19]利用表面改性策略，將PIM后修飾到UiO-66-NHMOF表面，PIM不僅提供了額外的分子運輸通道，而且通過提高聚合物和填料之間的相容性來增強CO傳輸，從而實現高效的氣體分離性能。YU等提出化學交聯策略，首次將MOF納米晶和聚合物交織偶聯，實現CO高選擇和高通量運輸通道^[20]。結構表征說明熱處理后的MMMs具有以下特點：PIM-1鏈節聚合，打開閉塞孔道，有利于氣體分子自由擴散；sPIM-1與納米晶UiO-66-CN共價偶聯，減弱兩相缺陷，同時提高復合膜強度。測試結果表明，UiO-66-CN@sPIM-1的CO通量較高，CO/N選擇性為27.6。該膜具有長期穩定性以及耐水、酸的特性，使其成為工業中分離CO的優先選擇。

1.3 POFs

POFs是多孔材料的一個子類，由有機單體通過同原子/雜原子（C—C、C—N、B—O等）之間的共價鍵所形成的三維空曠類分子篩骨架結構。憑借孔道可調性、孔道結構多樣性、優良的熱穩定性和化學穩定性，使其在氣體吸附/存儲、傳感/檢測以及光電材料等領域具有廣闊的發展前景^[20]。與無機-有機雜化的MOFs填料相比，POFs的純有機性質使其對有機聚合物具有更高的親和力，能夠削弱MMMs中聚合物-填料相容性差引起的裂縫或缺陷問題。到目前為止，研究者已經開發出了大量的POFs材料，根據結晶度可分為兩大類：一類是高結晶度材料，如COFs^[21]；另一類是非晶態材料，如超交聯聚合物（HCPs）、共軛微孔聚合物（CMPs）和多孔芳香框架（PAFs）等。

自2005年首次報道以來，COFs因高結晶度、良好的孔隙度和明確的結構深受研究者青睞。KANG等^[22]合成了二維COF納米片基MMMs，用于H/CO分離。COF納米片的純有機屬性和二維形態增強了聚合物-填料界面處相容性，從而提高MMMs的機械強度和氣體分離性能。隨后，BISWAL等^[23]將2種不同孔徑的COFs（TpPa-1、TpBD）分別摻雜到PBI-Bul基質中，與MOFs填料相比，COFs在聚合物基質中的負載量可以高達50%，并且TpPa-1@PBI-Bul和TpBD@PBI-Bul的滲透通量較純聚合物膜提高了約7倍。為了更好地理解MMMs的分離機制，SHAN等^[24]將ACOF-1分別與3種不同的聚合物復合。研究結果表明聚合物的種類顯著影響了薄膜的分離性能：Matrimid^?和6FDA：DAM提高了MMMs的滲透通量和分子選擇性，而Polyactive?的柔性鏈節穿插到ACOF-1的孔道中，

導致薄膜的滲透通量大幅度下降。該項研究為今后聚合物基質的篩選提供了一定指引。隨著材料科學與化學的快速發展，將有更多的COFs材料被用于制備MMMs，如離子型COFs、3D COFs等。

非晶態的HCPs、CMPs和PAFs除了具有與晶態COFs的共性外，如高孔隙率、可調節的孔道結構，非晶態POFs結構中存在不可逆的共價鍵，使其在惡劣條件下表現出更優異的化學穩定性，因此拓寬了它們的應用范圍。GAO等^[25]率先在多孔陶瓷片基底上成功制備了一種超微孔聚合物（SNW-1）與聚砜基質的MMMs（SNW-1/PSF），并且該膜應用于CO/N、CO/CH分離。由于SNW-1具有很高的孔隙率，使得SNW-1/PSF的CO通量遠高于致密型PSF薄膜，同時保持了CO/N、CO/CH高分離指數（40、34）和高穩定及重現性。YU等^[26]通過微波加熱法快速合成均勻、納米級的MAPDA POF填料，相較于純PIM-1膜，MAPDA/PIM-1-15 MMMs的CO滲透率提高1倍多，CO/N選擇性從18.9提高到23.9。MAPDA的高孔隙率以及有機框架與聚合物優異的相容性是提高CO滲透率和CO/N選擇性的主要原因。隨后，ZHANG等^[27]提出混合單體策略合成PAF-45DPA多孔芳香骨架材料，通過干-濕技術制備PAF-45DPA/PSF MMMs。與純PSF膜相比，PAF-45DPA/PSF的CO滲透通量提高了3倍，CO/N分離指數提高了2倍。TESSEMA等^[28]將2種高比表面積的BILP-4和BILP-101成功地摻入到Matrimid聚合物中，形成了一系列新型MMMs。BILP框架的表面官能團增強了與Matrimid基質的相互作用，并且顯著提高了MMMs的CO滲透通量。WANG等^[29]將TPFC、TPFC-CHNH和TPFC-CHPEI分別與PIM-1復合，3種填料與聚合物基質間通過π-π相互作用而具有良好的相容性。其中，由于TPFC-CHNH填料具有高的比表面積和CO吸附能力，因此PIM-TPFC-CHNH-15膜的氣體分離性能最佳。氨基修飾的POFs可以提供特定的CO傳輸鏈，因此功能化POFs為新型填料的選擇開辟了新思路。

2 總結及展望

隨著工業分離對膜技術的需求不斷增加，制備高性能薄膜材料的研究蓬勃發展。盡管近年來該領域取得了一些進展，但具有優異分離性能、良好機械強度、長期穩定性、易加工性和低成本的混合基質膜材料尚未實現。其主要面臨的挑戰如下：需要理論計算來預測聚合物-填料的微環境，揭示氣體分子通過多孔填料在混合基質膜中的滲透過程；為了闡述薄膜的結構-性能關系，應采用先進的表征技術對混合基質膜結構進行分析；設計和合成具有孔徑尺寸選擇性、良好的幾何形狀（如納米顆粒、納米片）、強的化學和熱穩定性以及優異的聚合物-填料相容性的新型先進多孔材料。

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Research Progress in Porous Materials Based Mixed

Matrix Membranes for COSeparation

WANG Xiaonan， LI Haizhuang， SUN Tengteng， WANG Kangjun， YU Guangli

（Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract：Mixed matrix membranes （MMMs） combining the merits of the polymer matrix and inorganic/organic fillers have become a preferable choice as future gas separation membrane. Fillers are the core part of the MMMs， and their selection and design greatly influence the separation performance. In this paper，the research of different types of porous materials used to prepare mixed matrix membranes from 2014 to 2023 was summarized， and the separation performance of the membranes was evaluated from the aspects of gas selectivity， permeability and stability. The challenges faced by mixed matrix membrane in industrial application were briefly summarized， providing new ideas for the design and development of new mixed matrix membrane in the future.

Key words：Mixed matrix membranes; Fillers; Separation performance; Porous materials