氢气燃烧热值高、清洁无污染，且应用场景灵活多样，是最适宜替代化石燃料的高效、绿色二次能源。目前全球氢气年产量约为7000万吨，其中约95%是由天然气、煤等化石燃料蒸汽重整制备的灰氢（grey hydrogen）。每生产一吨灰氢会产生5.5至11吨二氧化碳，如果配合碳捕集技术，可减少90%左右的碳排放，从而得到低碳的蓝氢（blue hydrogen）。但现有工业中的碳捕集技术（如Selexol溶剂吸收法）会增加30%左右制氢成本。为使蓝氢成为经济可行的选择，需要研发新的碳捕集技术以降低成本。膜分离法是一种节能高效的新兴碳捕集技术。在合成气加工温度下（150 °C以上）H₂/CO₂选择性大于30的气体分离膜有望大幅降低碳捕获成本，为蓝氢的低价生产提供另一方案。凭借低成本、高机械强度及优异的可加工性能等优势，高分子膜是目前工业界使用的主流气体分离膜，但高分子膜在高温条件下的H₂/CO₂选择性普遍偏低，难以获得高纯度氢气。纳米孔二氧化硅膜具有优异的H₂/CO₂分离性能，高温下H₂/CO₂选择性可高达100，但一般通过在400 °C以上烧结或气相沉积制备。高温制备条件导致了不可使用廉价高分子膜作为支撑层，而必须使用昂贵的热稳定的多孔陶瓷膜，这不仅增加了生产成本而且限制了其大规模生产。

  针对制备二氧化硅膜通常需要高温条件这一难题，美国纽约州立大学布法罗分校林海青教授团队发明了一种在室温下低成本快速制备二氧化硅超薄膜的新方法，该法兼具高分子膜的优异可加工性和纳米孔二氧化硅膜的高选择性，在150-200 °C具有优异的H₂/CO₂分离性能，有望大幅降低蓝氢生产成本。如图一所示，先利用相转化法制备耐高温的聚苯并咪唑（PBI）多孔支撑膜，然后在PBI支撑膜表面涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）层，最后通过简单的氧等离子体室温处理2分钟，PDMS表面会形成一层超薄的二氧化硅膜（~3 nm），从而制得具有超薄二氧化硅选择层的复合膜（POSi膜）。二氧化硅选择层的厚度和POSi膜的H₂/CO₂分离性能可以通过控制氧等离子体处理时间调节，而且POSi膜具有优异的耐高温性能、水热稳定性以及耐老化性（图二）。在200 °C下，制备的二氧化硅超薄膜的H₂通量高达280–930 GPU并具有很好的H₂/CO₂选择性(95–32)，性能可媲美高温烧结制备的纳米孔二氧化硅膜、并超过了Robeson上限和目前最先进的商用膜（图三）。这种二氧化硅膜制备方法在室温下快速进行(2分钟)，且使用的是廉价易加工的高分子聚苯并咪唑做多孔支撑膜，解决了制备二氧化硅膜需要高温条件这一难题，可显著地降低生产成本。而且该制备过程可以套用现有的工业化制备高分子膜的设备，利于放大生产。

图一：a, b) POSi膜制备过程示意图，包括(1) 相转化法制备PBI多孔支撑膜，(2) PBI支撑膜表面涂覆PDMS层，(3) 氧等离子体处理PDMS表面形成二氧化硅选择层；c) POSi膜横截面SEM图；d) POSi膜表面AFM图及粗糙度。

图二：POSi膜的H₂/CO₂分离性能。a) 氧等离子体处理时间对分离性能影响；b) POSi120膜（氧等离子体处理时间为120s）的纯气通量和气体/氮气选择性；c) 温度对POSi120膜的分离性能的影响；d) POSi120膜的水热稳定性；e) POSi120膜的耐老化性能。

图三：POSi120膜分离性能与a,b) 高分子膜和混合基质膜，以及 d)无机膜的比较；c) POSi120膜的H₂/N₂和He/N₂分离性能与2008 Upper bound比较。

  以上成果发表于ACS Nano (Scalable Polymeric Few-Nanometer Organosilica Membranes with Hydrothermal Stability for Selective Hydrogen Separation. ACS Nano 2021, 15, 12119)上，文章的共同第一作者是朱凌翔博士和黄亮博士，通讯作者是美国纽约州立大学布法罗分校林海青教授 (http://cbe.buffalo.edu/lin)。该成果已经申请了PCT国际专利（62/962,809）。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c03492