摘要：针对这一问题，中国科学技术大学刘江涛课题组在Science Advances期刊上发表了题为“Metal-organic cages improving microporosity in polymeric membrane for superior CO2c

成果简介

混合矩阵膜通过将无机成分引入聚合物基体内，精心设计孔结构，为解决CO2排放问题提供了有前景的解决方案。

针对这一问题，中国科学技术大学刘江涛课题组在Science Advances期刊上发表了题为“Metal-organic cages improving microporosity in polymeric membrane for superior CO2 capture”的最新论文。他们合成了一系列新型金属有机笼（MOCs），其孔径大小精确定位在CO2与N2或CH4之间。这些MOCs均匀分散在固有微孔聚合物（PIM-1）中。其中，MOC-Ph笼有效地调节了链的堆积，并优化了膜的微孔结构。

值得注意的是，PIM-Ph-5%膜表现出优异的性能，达到了8803.4 barrer的CO2渗透性和59.9的CO2/N2选择性，远超2019年上限。这种方法为改善聚合物膜的孔结构，在CO2捕集和其他分离应用中的应用提供了新的机遇。

研究亮点

1. 实验首次合成了一系列新型金属有机笼（MOCs），并将其均匀分散在固有微孔聚合物（PIM-1）中，得到了优化的混合矩阵膜（MMMs）。

2. 实验通过精确调控MOCs的孔径，特别是MOC-Ph笼，成功优化了膜的微孔结构，并有效调节了PIM-1的链堆积方式。结果表明，MOC-Ph显著提高了膜的CO2渗透性。

3. 通过将MOC-Ph与PIM-1相结合，制备的PIM-Ph-5%膜展现出优异的性能，CO2渗透性达到8803.4 barrer，CO2/N2选择性为59.9，超越了2019年CO2/N2上限。

4. 该研究表明，使用金属有机笼分子优化聚合物链的堆积，可以有效改善聚合物膜的孔结构，提升气体分离性能，为CO2捕集及其他分离应用提供了新的技术路径。

图文解读

图1. MOC-R的合成与表征

图2. MOC-Ph MMMs的表征

图3. 使用MOC-Ph调节PIM-1基体的孔结构

图4. MOC-Ph基MMM膜的气体性能

图5. PIM-Ph-5% TFC膜的制备与CO2分离性能

结论展望

本研究通过利用金属有机笼（MOCs）的离散分子特性，研究者设计了一系列新型笼状配体（H2BDC-N-R），以增强MOC-R与PIM-1之间的兼容性，从而实现分子均匀的混合矩阵膜（MMMs）的制造。接枝的R基团可以进一步缩小MOCs的孔径，从而产生更强的分子筛效应。均匀分散的MOC-Ph可以插入相邻的PIM-1刚性链之间，收缩大孔，并通过氢键和π-π相互作用连接离散的通道，优化PIM-1膜的孔结构，增强分子筛效应，并提供相对更长的气体运输通道，显著提高CO2的渗透性和选择性。

本研究合成的PIM-Ph-5%膜展现出卓越的CO2分离性能，CO2渗透性达到8803.4 barrer，CO2/N2选择性为59.9，优于大多数现有的MMMs，远超2019年CO2/N2上限。掺入MOC-Ph的PIM-1膜还表现出更高的抗物理老化能力，并在高压（>25 bar）和高温（>120°C）下展现出优异的性能。PIM-Ph-5%薄膜复合膜（TFC）也展现出5844.3 GPU的CO2渗透率和44.9的CO2/N2选择性，为开发具有改进孔结构的创新微孔聚合物膜以实现超高效CO2捕集提供了新机遇。。

文献信息

Jian Guan et al. ,Metal-organic cages improving microporosity in polymeric membrane for superior CO2 capture.Sci. Adv.11,eads0583(2025).DOI:10.1126/sciadv.ads0583

来源：华算科技