混合基质膜兼具聚合物赋予的优异可加工性和纳米材料构筑的卓越选择性运输通道，已成为超越聚合物膜的重要分离膜材料，在二氧化碳（CO₂）分离领域已经展现出了高效的分离性能。将纳米材料的独特性能成功赋予混合基质膜的关键，在于调控纳米材料在聚合物基质中的空间分布，以形成精细可调的传输通道。然而，大多数混合基质膜普遍面临难题：由于纳米材料在聚合物基质中不可避免地发生团聚和沉降，且纳米材料与聚合物界面的相容性较差，极易在膜内形成非选择性缺陷。此外，分散在聚合物基质中的纳米材料往往呈离散分布、互不连接，导致混合基质膜内传输通道相互隔绝，因此传输效率低下。构建连续传输通道最有效的方法之一是提高纳米材料在混合基质膜中的负载量，但该策略仅适用于少数纳米材料与聚合物界面性质相匹配的体系。而且，混合基质膜内高负载量的纳米材料也会出现更严重的团聚现象，进而产生更多的缺陷。因此，破解这些传统策略的困境，突破传统设计范式，开发能够构建具有互联传输通道的混合基质膜的新方法至关重要。

  为解决这一问题，浙江大学徐志康教授、张超研究员团队提出一种新型混合基质膜——纳米纤维交织凝胶膜（NIGMs）。NIGMs由碳纳米管（CNT）交织形成的可调控三维互联CO₂传输通道，和高选择性CO₂亲和凝胶基质构成，可显著提升CO₂分离过程中的渗透通量与选择性（图1）。NIGMs通过创新性的光热触发原位凝胶化方法制备：将CNT交织骨架用作光热受限反应器，引发CO₂亲和凝胶的聚合交联，且凝胶与CNT骨架呈现互穿结构。原位形成的CO₂亲和凝胶与CNT交织骨架具有良好的界面相容性，且无选择性缺陷产生；同时，CO₂亲和凝胶富含的极性环氧乙烷单元可提高CO₂相对于N₂的溶解度，进而增强分离选择性。通过调控交织纳米纤维的分布与构型，NIGMs的CO₂渗透通量达到211.0 GPU，相较于纯凝胶膜提升1558%；同时，其CO₂/N₂和CO₂/CH₄的选择性分别高达151和47。更重要的是，NIGMs中的刚性CNT骨架对凝胶基质具有锚定作用，赋予NIGMs优异的长期运行稳定性，即使经过480小时连续运行，其渗透通量与选择性也仅出现轻微衰减。

  相关研究成果以“Nanofiber-interwoven gel membranes with tunable 3D-interconnected transport channels for efficient CO₂ separation”为题发表在Nature Communications上。审稿人高度评价该工作为“novel architecture”、“a breakthrough in membrane design”、“an innovative and highly impactful strategy”、“significant advancement in gas separation membrane design”等。论文的第一作者为李浩南博士和本科生孙泽钰，通讯作者为张超研究员和徐志康教授。本工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。

图1. 具有三维连通传输通道的纳米纤维交织凝胶膜（NIGMs）与聚合物膜、传统混合基质膜的结构与性能对比。

  NIGMs通过光热触发原位凝胶化策略制备（图2）。首先，通过真空抽滤调控具有光热效应的CNT在多孔基底表面组装与堆叠，形成纳米纤维交织骨架，以此构建光热受限反应器。随后，向所制备的CNT交织光热受限反应器中注入凝胶前驱体，该前驱体以聚乙二醇（PEG）同时作为单体与交联剂，并以过硫酸铵作为热引发剂。CNT受限反应器不仅能精确调控注入的凝胶前驱体厚度，还可有效防止前驱体渗入下方的多孔膜中；而选择PEG作为凝胶基体，是因为其环氧乙烷单元与CO₂之间存在强烈的极性吸引力。最后，在太阳光照下，CNT受限反应器借助经典的光热效应实现局部加热，触发热引发剂产生大量自由基，从而促使凝胶前驱体原位形成无缺陷的CO₂亲和凝胶基质。该策略不涉及传统混合基质膜制备中常伴随的相分离，因此能够彻底消除纳米材料与聚合物之间的界面缺陷，形成由相互交织的CNT互连骨架和凝胶基质组成的无缺陷NIGMs，同时具有高达66.7%的CNT负载量。

图2. NIGMs的制备与表征。

  为验证NIGMs的CNT交织骨架对其CO₂分离性能的提升，我们首先对比了NIGMs与纯凝胶膜的CO₂分离性能（图3）。NIGMs的CO₂渗透通量达211.0 GPU，是相同厚度纯凝胶膜的16.6倍；NIGMs的CO₂/N₂选择性为151，较纯凝胶膜提升3.9倍。此外，将NIGMs表面覆盖1.2 μm纯凝胶后，其渗透通量骤降至26.3 GPU（仅为原NIGMs的12.3%），选择性较原NIGMs下降了55.6%，再次印证三维互联CNT交织骨架对NIGMs的CO₂通量与选择性提升起到的关键作用。总体而言，NIGMs较纯凝胶膜渗透通量提升1558%、选择性提升287%。相比之下，文献报道的多数MMMs难以同时实现选择性和渗透率的双重显著提高，表明NIGMs突破了传统MMMs因界面缺陷难以兼顾通量与选择性的困境。NIGMs对CO₂通量与选择性的双重提升源于其CNT交织骨架与无缺陷凝胶基质的功能协同：CNT交织骨架既提供三维互联的CO₂传输通道，还能破坏凝胶网络中聚合物链的致密堆积以增加自由体积，共同促进CO₂的快速扩散；无缺陷的凝胶基质则利用其极性环氧乙烷单元可进一步增强CO₂的选择性吸附。

图3. NIGMs在CO₂分离应用中的优异渗透性和选择性。

  为了更深入地了解CNT交织骨架对NIGMs的CO₂分离性能的影响，我们采用三种不同长度的CNT制备出具有不同CNT骨架堆叠致密程度的NIGMs，并对比了它们的CO₂分离性能（图4）。随着CNT长度的缩短，CNT交织骨架经历了从松散到致密的结构转变，导致NIGMs中富凝胶区域的体积分数显著减少。富凝胶区域不利于气体渗透，因此，使用短CNT构筑的NIGMs，其CO₂渗透通量和选择性均显著高于使用中等长度CNT和长CNT构筑的NIGMs。

  为了揭示NIGMs中CO₂的选择性分离机制，测量了不同长度CNT制备的NIGMs的CO₂扩散系数，并计算了其CO₂/N₂扩散选择性。随着CNT长度的缩短及膜内富凝胶区域体积分数的降低，NIGMs的CO₂扩散系数和扩散选择性持续上升。此外，分子模拟也显示NIGMs的自由体积（13.9%）高于纯凝胶膜（6.9%），且CO₂在CNT表面的扩散系数（1.16×10^-5 cm²?s^-1）远高于在凝胶基质中的扩散系数（5.23×10^-8 cm²?s^-1）。上述结果表明，CO₂在NIGMs中的运输和分离机制遵循经典的溶解-扩散模型，并在很大程度上取决于扩散过程。这种扩散主导的机制主要源于NIGMs内致密堆积的CNT交织骨架，其作为一个相互连接的连续运输网络，可有效提升NIGMs的CO₂传输速率。

图4. 具有不同CNT交织骨架的NIGMs的CO₂传输与分离机制。

  为凸显NIGMs在CO₂分离中的应用潜力，将其与文献报道的凝胶膜、MMMs进行了性能对比（图5）。NIGMs突破了CO₂/N₂分离的2019年Robeson上限。NIGMs的优异CO₂分离性能还可拓展至天然气提纯的CO₂/CH₄分离，NIGMs的CO₂渗透通量为211.0 GPU，CO₂/CH₄分离选择性为47，性能超过2008年Robeson上限。

  同时，NIGMs内CNT交织骨架提供机械支撑，与凝胶网络形成拓扑缠结及非共价作用，赋予NIGMs优异的长期运行稳定性。即使连续运行480小时，NIGMs的CO₂渗透通量仍保持在212.4 GPU，且CO₂/N₂择性始终超148。

图5. NIGMs的CO₂/N₂、CO₂/CH₄分离性能与文献对比及其长时间CO₂分离性能测试。

  总的来说，通过简便的光热触发原位凝胶化策略，本研究设计并制备出具有优异 CO₂分离性能的纳米纤维交织凝胶膜（NIGMs）。与传统溶剂蒸发法制备的混合基质膜不同，即便在66.7%的高纳米材料负载量下，NIGMs仍能使纳米纤维交织骨架与聚合物凝胶基质保持良好的界面相容性，不产生任何非选择性缺陷。通过优化纳米纤维交织骨架的分布与堆积密度，NIGMs的CO₂渗透通量达211.0 GPU，CO₂/N₂选择性为151。从更广阔的视角看，本工作提出的纳米纤维交织骨架设计理念，可与其他功能分离层结合，有望推动先进MMMs在气体分离、水净化等更多场景的实际应用。

  原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63502-2