天津大学姜忠义、何光伟团队成功开发出一种全新全有机混合基质膜，解决了膜分离性能与加工性难以共存的难题，为工业气体碳捕集提供了低能耗、低成本的新材料方案。该研究成果于10月7日在线发表于《自然·能源》，合作单位包括瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）和美国南加州大学等机构的研究人员。

在“双碳”目标下，碳捕集至关重要。电厂、水泥厂、钢铁厂排放的工业气体中，二氧化碳浓度虽不高但总量庞大，传统分离方法能耗和成本较高。膜分离技术因其绿色、低碳、节能特点，被视为有前景的碳捕集方式。然而，工业烟气碳捕集要求膜具备高渗透性、高选择性、长期稳定性和易规模化生产。混合基质膜结合了聚合物的加工性和多孔填料的高效传输能力，但两类材料性质差异大，存在相容性问题。传统方法通过增强作用力将两类材料更紧密地结合，但效果有限，分离性能仍由聚合物主导，多孔填料作用不显著。

针对这一挑战，研究团队从细胞膜结构获得灵感，提出“弱界面力镶嵌”策略，将具有规整有序孔道的单晶共价有机框架（COF）与聚合物复合，制成全有机混合基质膜。通过调节“填料—聚合物”和“填料—填料”相互作用，使COF以高填充量均匀嵌入膜中，在分子输运中发挥主导作用，同时保持膜柔性和溶液加工性，构建出二氧化碳超快传输通道。据ScienMag报道，该团队将单晶COF填充量提升至75.5%的体积分数，这一比例在混合基质膜领域此前被认为难以实现。在高填充量下，填料不再是次要添加剂，而是成为气体分子传输的主导连续网络。

在模拟烟气混合气测试中，团队制备的全有机混合基质膜的二氧化碳渗透率实现数量级提升，突破了文献纪录值，达到模型预测纯COF膜理论值的约70%。根据ScienMag披露的具体数据，该膜二氧化碳渗透率达74,800 Barrer，同时保持约20的二氧化碳/氮气选择性。相比之下，商用聚合物膜在燃烧后碳捕集场景中的渗透率通常在数十至低数百Barrer量级。该膜还表现出良好的长期稳定性，在含水分、硫氧化物和氮氧化物的测试条件下性能保持稳定。

初步技术经济分析显示，在设定流程与成本条件下，碳捕集成本约为38美元（按现汇率约合255.1元人民币）每吨二氧化碳。

据能源创新评论网站报道，广东以色列理工学院林志宏团队此前采用热驱动化学改性策略，也将碳捕集成本从约68美元每吨降至约38美元每吨，降幅约44%。根据哥伦比亚大学商学院和Nature Sustainability等来源的数据，膜分离法碳捕集成本一般在26至80美元每吨区间，传统胺基吸收法则在30至66美元每吨。

论文通信作者姜忠义教授表示：“把工业碳减排的难题，转化为高端膜材料的科学问题，是我们长期攻关的方向。”

该成果为开发兼顾性能、稳定性和加工性的膜材料提供了新思路，有望在电力、水泥、钢铁等行业的烟气碳捕集中应用，从而推动碳捕集膜技术走向工业应用。