南京工業大學教授金萬勤團隊在分離膜領域取得新進展，提出“固態溶劑法”制備出超薄超高摻雜量的混合基質膜。9月22日，相關研究成果在線發表在《科學》上。
據介紹，膜技術具有分離能耗低等優勢，但其發展普遍受限于滲透性和選擇性的制約關系，將高性能無機填料摻雜在聚合物中制備混合基質膜，有望突破這一瓶頸，成為近年來國際研究前沿。然而，面臨填料團聚和界面缺陷的重大挑戰，混合基質膜仍未大規模應用。金萬勤團隊是國際上較早開展混合基質膜研究的團隊之一，長期以來一直致力于解決這兩大難題。
“我們提出將聚合物作為固態溶劑，溶解填料的前驅體并將其涂覆在多孔載體表面形成超薄膜層，而后將聚合物中的前驅體原位轉化成填料。”論文第一作者、南京工業大學博士陳桂寧介紹，區別于傳統的“合成填料—分散填料—填料與聚合物混合”制備混合基質膜的復雜工藝，該方法僅需在聚合物中溶解高含量前驅體，即可實現高含量填料的均勻超薄化摻雜，同時以填料為主體相的新型混合基質膜結構有利于填料之間形成貫穿孔道，為分子提供超快傳輸通道。
實驗表明，“固態溶劑法”制備的混合基質膜厚度僅為50納米，填料摻雜量高達80%以上，實現了膜滲透性和選擇性數量級的提升。基于超薄膜層和填充的貫穿篩分孔道，該混合基質膜表現出類無機膜（純填充相）的優異分離性能，氫氣/二氧化碳分離性能高出現有聚合物膜和混合基質膜1~2個數量級。
“‘固態溶劑法’主要依靠聚合物膜的加工制備技術，因此易于放大制備成超薄的平板型和中空纖維型混合基質膜。”論文的共同通訊作者、南京工業大學教授劉公平說，該方法適用于不同類型的填料和聚合物基質，表現出良好的規模化制備前景與膜材料普適性。
“研究首次從實驗上證明了超薄超高摻雜混合基質膜的可行性，也為發展基于納米材料的超薄分離膜及功能涂層提供了新思路和理論技術基礎。”論文通訊作者金萬勤介紹，該混合基質膜在碳捕集等過程極具應用潛力，有望助力我國雙碳戰略目標的實施。在國家重點研發項目的資助下，團隊正在開展混合基質膜的放大制備與應用技術研究。