自工业革命以来，全球平均温度上升了1.1°C，这标志着气候危机的加剧，迫切需要技术创新。[1]在缓解策略中，碳捕获、利用和储存（CCUS）被广泛认为是实现全球能源系统和难以减排的工业部门（如水泥和钢铁生产）脱碳不可或缺的组成部分。[2], [3], [4], [5], [6], [7]在这一框架内，特别可行的实施途径是燃烧后捕获（PCC），它允许对现有工业和电力基础设施进行改造，以直接减少CO2排放。[1], [2]然而，基于化学吸附的传统PCC技术的广泛部署仍然受到持续的经济和环境负担的阻碍。高能耗、较高的运营成本和潜在的二次污染对可扩展性和可持续性构成了重大障碍。[1], [3], [4], [5]因此，迫切需要开发能够同时实现环境和经济可行性的高效替代技术。
膜分离技术由于其低能耗、成本效益高的操作和紧凑的系统设计，在CO2捕获应用中展现出巨大潜力。[6], [7], [8], [9], [10]目前，聚合物膜在气体分离技术中占据主导地位，因为它们具有优异的加工性、小占地面积、可扩展性和显著的经济效益。[11], [12]然而，聚合物膜的实际应用需要平衡渗透性和选择性之间的权衡，即Robeson上限[13], [14], [15]，这一直是膜应用中的一个持续挑战。具有内在微孔性的聚合物（PIMs），特别是PIM-1，通过其半刚性的扭曲骨架创造了高自由体积和化学可调的表面，代表了有希望的进展。[16], [17], [18]不幸的是，低CO2/N2选择性是限制其大规模应用的关键挑战。[19]此外，不可逆的物理老化也对PIM-1的发展造成了限制。[16]
溶液-扩散理论认为，气体分离性能受两个主要机制的支配：调节分数自由体积（FFV）以影响扩散性，以及调整气体吸附亲和力以控制溶解度。[20]基于这一框架，大量研究工作致力于通过工程化聚合物膜来增强这些性能。[16], [21], [22]关键策略包括对聚合物骨架结构的化学修饰[23]、合成后的功能化[24]、多组分混合系统的开发[25], [26]，以及通过引入无机填料来制备MMMs[27], [28], [29], [30], [31], [32]。金属有机框架（MOFs）是最常用的无机填料之一，用于增强气体分离性能。MOFs是通过金属离子或簇与有机配体的配位驱动自组装形成的晶体多孔材料。这些材料凭借高比表面积、可精确控制的孔结构和可编辑的化学功能而表现出优异的气体分离潜力。[33]例如，Vizuet等人[34]通过引入1,4-苯二甲酸（H2BDC）和2,6-萘二甲酸（H2NDC）以及有机配体H-L1，实现了从一维（1D）聚合物链到二维层状MOFs的转变。氢键介导的层间堆叠进一步生成了具有对齐的1D通道的3D结构。通过将MOF纳米填料引入聚合物中，通过化学相互作用增强了膜的界面相容性，消除了聚合物内的非选择性空隙并限制了聚合物链的松弛。至关重要的是，MOFs的有序纳米孔结构和可功能化的表面使得CO2传输路径能够被精确调节，从而协同提高了膜的渗透性和选择性。[35]Chuah等人[36]通过将功能化的UiO-66变体（UiO-66-NH2、UiO-66-Br和UiO-66-(OH)2）嵌入聚酰亚胺基质中，展示了这种策略，实现了CO2扩散性的提高。这些发现强调了针对MOFs的功能化可以有效优化CO2/N2分离效率，为高性能MMMs提供了协同设计范式。
最初，NH2-CuBDC·H2O MOFs在有机溶剂中形成1D链结构，分散性较差，不利于气体分离膜的设计。利用其配位响应性，二甲基亚砜（DMSO）分子取代了配位的水分子，将形态转变为在二氯甲烷（DCM）中均匀分散的NH2-CuBDC·DMSO纳米片。在这项工作中，我们开发了一种通过界面聚合（IP）和配位取代来制备高纵横比2D纳米片的策略，并将它们作为填料分散到PIM-1基质中，以制备用于高效CO2捕获的MMMs。IP方法在温和的反应条件下促进了MOFs的制备，具有高的反应速率和易于控制的反应过程。因此，构建了具有优异气体性能的PIM-MOF MMMs。得益于MOFs中的CO2亲和性氨基团和开放的不饱和Cu2+位点，在膜内部形成了高度选择性和快速的CO2传输。此外，膜界面处的强相互作用，包括氢键和π-π相互作用，增强了填料和聚合物之间的相容性。这些相互作用还限制了聚合物链的松弛，稳定了膜结构，使其更适合实际应用要求。优化的PIM-MOF-1%膜超越了2019年的CO2-N2上限，实现了5,185.6巴的CO2渗透性和40.8%的提高，以及40.6%的CO2/N2选择性，显示出下一代碳捕获膜的可行路径。
