气体分离是许多工业生产过程中重要的环节。传统的气体分离技术例如低温蒸馏能耗极高，不符合现今低碳减排的总体趋势。相比而言，膜分离技术具有低能耗、占地小以及设备结构简单等优势，是未来工业气体分离的高效替代方案。然而，目前膜技术在气体分离领域的应用所占的比重仍然较小。这是因为常用的高分子膜的无序分子结构限制了其气体分离性能的进一步提升。

  金属有机框架（MOF）是一种具有均匀可调孔道结构的高孔隙率多孔材料。将MOF作为填料加入传统高分子基质所形成的混合基质膜(MMM)理论上能显著提升纯高分子膜的气体分离性能。然而，文献中所报道的MMMs的实际气体渗透性能与纯MOF膜相比仍然相去甚远。其根本原因在于气透性较差的高分子基质将高气透性的MOF颗粒分隔开来，从而形成了整张膜的气透性瓶颈。尽管增加MOF的负载量至40wt%以上能减小MOF颗粒间距，形成气体传质的连续通路，高MOF负载量的膜往往不具备足够的机械强度以适应实际应用场景对材料的要求。因此，在不影响膜力学性能的前提下，构建具有连续MOF通路的MMM极具挑战。

  近日，上海科技大学李涛教授团队设计并开发了一类相分离混合基质膜(PS-MMMs)，通过控制聚合物的相分离，能够在较低的负载量下实现MOF域的相互连接并贯穿整张膜，巧妙地解决了这一困境。通过共混两种不互溶的聚酰亚胺高分子，MOF颗粒能够选择性地进入其中一个聚酰亚胺相，通过对MOF负载量、聚合物配比、聚合物组成、溶剂蒸发速率等参数的优化，MOF的局部堆积密度最高可达53 v/v%，平均颗粒间距约为20 nm。在只有19wt%的MOF负载量形成了高通量的MOF渗透网络，同时另一聚酰亚胺相呈现良好的连续性，作为结构骨架为整张膜提供机械支撑。这种PS-MMM的CO₂渗透性是纯聚合物膜的6.6倍，而CO₂/N₂和CO₂/CH₄选择性基本不变。而未分相的MMM在30 wt%负载量下，CO2渗透性也只是纯聚合物膜的3.9倍。另外，得益于其独特的共连续形态，在相同MOF负载量下，PS-MMM的延展性也明显优于未分相MMM。

图3. 相分离混合基质膜的机械及气体分离性能。（A）纯高分子膜、未分相混合基质膜和分相混合基质膜的断裂拉伸测试及其在3 bar和35℃下（B）CO₂/N₂（D）CO₂/CH₄气体分离性能。（C）在3bar和35℃下CO₂和CH₄在P4, nPS-20和PS-19中的溶解度和扩散系数。

  论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf5087