固体溶剂法原位生成MOF的超薄聚合物复合膜实现高效氢气纯化

为解决传统混合基质膜(MMMs)中填料团聚、界面缺陷及选择性层厚度大(<1?μm)的难题，中国科学院研究人员通过固体溶剂法原位合成ZIF-L@PVA和ZIF-8@PMMA超薄(<500?nm)高负载(65.3?wt%)MMMs，获得H2渗透率622.5?Barrer和H2/CO2选择性21.1的优异性能，为工业气体分离提供新策略。

　　

随着全球碳中和进程加速，氢气作为清洁能源的纯化需求激增，但传统聚合物膜存在渗透性与选择性此消彼长的"trade-off效应"，而金属有机框架(MOF)材料虽具精确可调的孔径结构，却面临成膜缺陷和加工难题。中国科学院团队在《Separation and Purification Technology》发表的研究，创新性地采用固体溶剂法，将锌盐溶解于聚乙烯醇(PVA)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中，通过配体蒸汽处理原位转化为ZIF-L和ZIF-8晶体，成功制备出厚度仅500纳米、MOF负载量高达65.3%的无缺陷混合基质膜。

关键技术包括：1) 以聚合物为固体溶剂溶解金属盐；2) 旋涂法制备超薄前驱体层；3) 配体蒸汽诱导原位结晶；4) 采用聚丙烯腈超滤膜(20?nm孔径)作为基底；5) 通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征晶体结构与形貌。

【Characterization of MMMs】部分显示，SEM证实ZIF-L@PVA膜表面形成连续致密层，MOF晶体均匀分散且与聚合物界面无缝连接。气体渗透测试表明，65.3?wt%负载量的ZIF-L@PVA膜H₂渗透率达622.5?Barrer(1?Barrer=10^-10?cm³(STP)·cm/(cm²·s·cmHg))，H₂/CO₂选择性21.1，突破Robeson上限。

【Conclusion】指出该方法通过"聚合物固溶-原位转化"机制，同步解决填料分散、界面兼容和薄膜化三大挑战。特别值得注意的是，该膜在60℃高温下仍保持稳定性能，连续运行120小时后渗透率仅下降2.3%，展现出工业化应用潜力。这项研究为开发下一代高性能气体分离膜提供了普适性策略，其固体溶剂理念可延伸至其他多孔材料体系，对氢能经济与碳捕集技术发展具有重要推动作用。