由于具有明确、均匀的孔径和特定的吸附特性，分子筛（沸石）能够分离具有相似大小和形状的分子。同时，混合基质膜（MMMs）作为下一代气体分离膜提供了一条新的途径，通过将填料的选择性和渗透性性能、稳健性和不老化特性与聚合物的易于加工、处理和放大相结合，更有效地进行能量密集型分离。然而，事实证明，真正将所有材料结合到一种材料中是非常具有挑战性的。

鲁汶大学Ivo Vankelecom教授和Michiel Dusselier教授将以吸引二氧化碳（CO₂）而闻名的高负载（>50 wt%）铝硅酸盐SSZ-39放入与其相容的商业化聚酰亚胺中。所得到的混合基质膜具有柔性和无缺陷性，显示出良好的二氧化碳分离性能，甚至超过了纯沸石膜的性能。相关研究成果“Truly combining the advantages of polymeric and zeolite membranes for gas separations”为题发表在Science上。

实际上，在过去的几十年中，膜技术已经成熟为许多能源密集型分离的成熟技术。与传统技术相比，膜技术提供了更可持续的替代方案，因为它的能耗低，占地面积小，模块化设计，使得在现有工厂中改造膜成为可能。膜已经用于气体分离，例如天然气净化、合成气处理和空气分离，并正在成为移除CO₂的常见策略。

虽然传统的聚合物膜价格便宜且可加工，但它们经常存在老化问题或固有渗透性-选择性权衡，这使得获得高渗透性和足够的选择性具有挑战性。另一方面，由沸石或其他结晶微孔材料（例如金属有机框架（MOF））制备的无机膜通常表现出更好的分离性能，但往往更脆，更昂贵，并且具有较差的可加工性和可扩展性。混合基质膜（MMM）由嵌入聚合物基质中的填料组成，旨在将聚合物膜的内在优势与填料的优异气体分离性能相结合。

沸石具有明确的刚性孔隙和优异的热稳定性和化学稳定性，对MMM的发展具有重要意义。由于橡胶聚合物（如聚二甲基硅氧烷）固有的低选择性和高渗透性中和了沸石的优点，因此刚性玻璃聚合物是开发高性能沸石填充MMM的关键。

然而，沸石和玻璃状聚合物之间的粘合性差通常导致非选择性界面空隙。因此，获得高沸石负载量（≥50 wt%），同时保证无缺陷的聚合物-沸石界面，结合高选择性沸石和适当的玻璃状聚合物基质，对于创建高性能MMM以应对各种最关键的分离挑战至关重要。

在此，一个板状亲CO₂、小孔（八元环）AEI型沸石（SSZ-39），具有长程有序三维 （3D） 通道系统和气体选择性窗口，掺入商业化的聚酰亚胺（Matrimid 5218）聚合物中。通过精心设计沸石和MMM的合成，作者创建了一条横跨柔性和耐老化（超过1年）膜的策略。~423的CO₂-CH₄混合气体选择性和~8300 Barrer的CO₂渗透性，优于所有现有的聚合物基膜，甚至大多数纯沸石膜。

同时，使用一种可扩展的方法，用商业化的玻璃状聚合物制备无缺陷的沸石填充膜，从而为开发可加工性良好、坚固且经济的高性能沸石填充MMM打开了大门，对于那些难以被设计成无缺陷沸石薄膜的沸石尤其有益。

图1. SSZ-39沸石表征

图2. 板形Na-SSZ-39 MMM的SEM图像

图3. Na-SSZ-39 MMM的气体分离性能

图4. 板形Na-SSZ-39 MMM的表征和插图

Xiaoyu Tan, Sven Robijns, Raymond Thür, Quanli Ke, Niels De Witte, Aran Lamaire, Yun Li,Imran Aslam, Daan Van Havere, Thibaut Donckels, Tom Van Assche, Veronique Van Speybroeck, Michiel Dusselier, Ivo Vankelecom, Truly combining the advantages of polymeric and zeolite membranes for gas separations, 2022, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade1411

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