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。这一成果10月7日在线发表于国际顶级学术期刊《自然·能源》。

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，二氧化碳浓度不高但总量很大，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。



单晶共价有机框架全有机混合基质膜示意图（受访者供图）

膜是膜分离技术的“筛子”。工业烟气碳捕集要求膜兼具高渗透、高选择性、长期稳定和易规模化。混合基质膜兼具聚合物的加工性与多孔填料的高效传输能力，在低能耗碳捕集中占据重要地位，但两类材料性质迥异，存在相容性问题。传统办法靠增强作用力把两类材料“粘得更牢”，但效果有限，分离性能仍由聚合物主导，多孔填料很难发挥作用。

对此，研究团队受细胞膜结构启发，提出“弱界面力镶嵌”策略，将规整有序孔道的单晶共价有机框架（COF）与聚合物复合，研制出全有机混合基质膜。通过协调“填料—聚合物”与“填料—填料”相互作用，使COF以高填充量均匀“嵌”入膜中，真正在分子输运中“当主角”，同时保留膜的柔性与溶液加工性，构建起二氧化碳超快传输通道。



膜片形貌和微观结构示意图（受访者供图）

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。”论文通信作者姜忠义教授表示，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，从而推动碳捕集膜技术走向工业应用。