科技日报记者 陈曦 通讯员 王鹤立
记者23日从天津大学获悉，该校化工学院王志教授团队联合天津工业大学、澳大利亚昆士兰大学、美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校科研团队，成功攻克膜法碳捕集领域的“卡脖子”难题。团队研发出基于“预占位—后激活”（POPA）策略的新型膜材料，让高性能MOF基二氧化碳分离膜实现“从实验室到工厂”的跨越。可在工业级“卷对卷”生产线上实现规模化连续制造，幅宽可达一米，为“双碳”目标落地注入强劲科技动能。该研究成果近期发表于国际期刊《先进材料》。
据了解，二氧化碳的高效分离是减排的关键环节。“膜法碳捕集”技术具有能耗低、无溶剂挥发污染、设备可撬装集成、占地面积小等显著优势，因而备受关注。近年来，国内外研究者在实验室条件下已开发出多种高性能混合基质膜，并展示了优异的分离性能。
然而，这些先进膜材料的制备面积远不能满足工业化部署所需的膜面积要求。制约其规模化连续制造的关键在于“非平衡加工诱导填料失稳”难题——即在实验室温和条件下稳定的填料分散体系，在工业快速涂布的非平衡动态加工过程中极易失稳，从而引发填料团聚及多尺度界面缺陷。
针对这一难题，团队提出“预占位—后激活”策略，开发出兼具静态分散与动态加工稳定性的荷正电聚合物刷MOF材料。
该技术围绕核心痛点，从三个维度实现了原创性突破。
一是材料设计理念创新。传统研究局限于实验室条件下的静态分散，该团队首次提出面向膜规模化制造的填料需兼具静态与动态稳定性，将设计逻辑从“静态稳得住”升级为“动态稳得住”，打破传统范式。
二是孔道保护策略开发。针对聚合物修饰易堵塞孔道，团队创新性地采用“预占位—后激活”策略：先利用质子化胺基预占孔道，引导聚合物外表面接枝；再通过去质子化“后激活”，恢复胺基活性与孔道畅通，实现“先堵后疏”，既构建聚合物刷层，又保障二氧化碳高效传输。
三是双重稳定机制构建。高荷正电框架与表面聚合物刷，协同发挥静电—空间位阻效应，确保静态稳定分散；自由伸展聚合物刷，通过密集氢键与聚合物基质形成界面互锁结构，在溶剂快速蒸发时，自适应抵抗“聚集诱导力”，从根本上解决动态失稳难题。
在研究取得突破的基础上，团队还与企业合作，进一步开展了工业规模化的技术验证，打通了“从实验室到工厂”的技术转化路线。王志介绍，团队在自主设计的工业级“卷对卷”刮涂生产线上，首次实现了幅宽达一米的“MOF基耐压二氧化碳分离混合基质复合膜”的规模化连续稳定制造。
所制膜在天然气脱碳及燃烧后碳捕集等工况下性能优异，经系统取样与多批次验证，展现出良好的可扩展性和均匀性。技术经济评估显示，在相同分离目标下，该膜较同类型膜能够将所需膜面积降低一个数量级以上，有效降低固定投资成本，并大幅缩减设备的占地空间。
未来，该技术有望突破高能耗传统工艺局限，在工业烟道气、天然气脱碳及合成气净化等领域发挥关键作用，为碳捕集、利用与封存产业链的降本增效提供强有力的技术支撑，加速推动膜法碳捕集技术从实验室创新向实际工业应用的关键跨越，引领气体分离膜行业向高效、低能耗方向迈进。
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