功能化MIL-101(Cr)填充PIM-1基质构建高性能混合基质膜用于高效CO2捕获

针对混合基质膜(MMMs)存在的渗透选择性限制和界面相容性差等问题，研究人员通过将带正电且含CO2亲和基团(-NH2和咪唑阳离子)的MIL-101-IMOH-Br-作为填料与PIM-1复合，构建了具有超高通量(10871.4 Barrer)和CO2/N2分离因子(30)的MMMs，突破2019年Robeson上限，为碳捕获膜材料设计提供新思路。

　　

随着工业发展导致大气CO₂浓度持续升高，开发高效碳捕获技术成为应对气候变化的迫切需求。膜分离技术因其能耗低、环境友好等优势备受关注，但传统膜材料普遍面临渗透性与选择性此消彼长的"trade-off效应"。尤其是有机聚合物膜虽加工性能优异，却存在自由体积易塌陷导致的物理老化问题；而无机膜虽稳定性好，但成本高且难以成型。混合基质膜(MMMs)作为折中方案，通过将无机填料分散于聚合物基质中，理论上可兼具两者优势，但填料与基质的界面相容性问题长期制约其性能提升。

针对这一挑战，山东某高校研究团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，创新性地采用Debus-Radziszewski反应合成带有正电荷和CO₂亲和基团的MIL-101-IMOH-Br^-填料，与带负电的PIM-1基质构建新型MMMs。通过静电相互作用改善填料分散性，同时利用咪唑阳离子和氨基增强CO₂吸附，最终获得突破性分离性能。

关键技术包括：1) MIL-101(Cr)系列材料的溶剂热合成与功能化修饰；2) 通过FTIR、XPS等手段确认材料化学结构；3) 采用气体吸附测试分析材料孔结构特性；4) 使用TEM、SEM观察材料形貌与分散状态；5) 通过气体渗透装置测定膜分离性能。

材料表征
通过FTIR证实MIL-101-IMOH-Br^-成功引入咪唑阳离子基团，XPS显示Br元素特征峰证实季铵盐形成。氮吸附测试显示功能化使材料比表面积从NH₂-MIL-101(Cr)的2530 m²·g^-1降至1986 m²·g^-1，但CO₂吸附量提升35%，证实CO₂亲和性增强。

膜性能研究
TEM显示MIL-101-IMOH-Br^-在PIM-1中分散均匀，粒径约100 nm。气体测试表明含7 wt%填料的MMMs展现10871.4 Barrer的CO₂渗透率和30的CO₂/N₂选择性，远超原始PIM-1(CO₂渗透率3800 Barrer，选择性19.5)。老化测试显示该膜150天后性能仅衰减18%，显著优于纯PIM-1膜的42%衰减率。

结论与意义
该研究通过分子设计赋予MOF填料正电荷与CO₂亲和性，首次实现：1) 静电作用驱动的填料自分散与界面强化；2) 协同提升CO₂溶解-扩散双重传质机制；3) MOF骨架抑制聚合物自由体积塌陷。所得膜材料性能突破Robeson上限，为开发新一代碳捕获膜提供重要范式，其"电荷匹配-功能协同"的设计策略可拓展至其他分离体系。