宿州學院余數溫博士Chem Soc Rev：可加工微孔膜，分離技術的新興平臺！

近日，澳大利亞昆士蘭大學侯經緯團隊聯合天津工業大學喬志華團隊在英國皇家化學會頂尖期刊 Chemical Society Reviews 發表題為 Processable microporous membranes: emerging platforms for separation technologies 的綜述論文（DOI：10.1039/d5cs00543d）。該工作聚焦“可加工性（processability）”這一從實驗室走向產業化的關鍵門檻，系統總結了可加工微孔膜材料的最新進展，并圍繞大面積連續化制備與模塊化集成的關鍵挑戰，提出了可規模化制造平臺與界面/結構工程的方向性策略與發展路徑。侯經緯團隊成員、現工作單位宿州學院余數溫博士為第一作者。

背景介紹

在“雙碳”目標、能源結構轉型與高端制造升級的多重驅動下，分離純化過程的低碳化與高效化成為化工、能源與環境領域的關鍵命題。大量工業過程（如 CO? 捕集與煙道氣凈化、天然氣/合成氣提純、氫能相關純化、揮發性有機物（VOCs）回收、溶劑回收與水處理等）依賴蒸餾、吸收、萃取等熱驅動單元操作，往往伴隨高能耗、設備體量大、運行與維護復雜等問題，成為流程節能降碳與系統集成優化的主要瓶頸。

然而，膜技術從“材料性能”到“工程應用”之間仍存在顯著鴻溝，核心痛點集中在材料層面的結構–性能約束與工程層面的制造放大難題兩方面：一方面，傳統聚合物膜在許多高難度分離中面臨滲透性–選擇性權衡、物理老化、塑化/溶脹以及耐溫耐化學性不足等問題，導致實驗室條件下的優異性能在長期運行與復雜進料條件下難以穩定保持；另一方面，無機多孔材料（如沸石等）與晶態框架材料（如 MOF、COF 等）雖具備孔道結構可設計、分子篩分能力強等優勢，但在實際制膜過程中常受制于脆性與界面缺陷敏感、連續大面積成膜難、薄層缺陷修復困難、與支撐層/封裝體系匹配性不足等工程問題，限制了其規模化制造與模塊集成。

因此，當前膜分離領域的關鍵科學與工程問題，正從“追求單點性能極限”逐步轉向“在高性能基礎上實現可加工、可放大、可集成、可穩定運行”。在此背景下，“可加工微孔膜材料（processable microporous membranes）”成為近年受到廣泛關注的新方向：其核心思想是在保留微孔材料高效傳質與選擇性優勢的同時，通過分子結構設計、界面工程與加工工藝創新，使材料能夠以溶液加工、成膜重構、復合組裝或熱加工等方式形成連續致密且缺陷可控的膜層，并最終滿足大面積制備、長期穩定與模塊化應用的工程要求。這一方向有望在氣體分離、溶劑納濾、水處理與能源相關分離過程中，提供兼顧“性能—制造—可靠性”的新型膜材料平臺與系統解決方案。

本文亮點

本文以“可加工性”為主線梳理了微孔膜的最新進展，在關注滲透性與選擇性的同時，進一步討論連續成膜、缺陷控制、規模化制備可行性、模塊兼容與長期運行穩定性等工程化關鍵因素，為材料從實驗室走向應用提供更明確的思路與路徑。

系統梳理了“純有機微孔膜與 MOF 基微孔膜”兩大平臺，將無定形微孔聚合物、晶態有機框架，以及多晶 MOF 膜、MOF–聚合物復合膜、MOF 衍生玻璃膜等納入統一框架對比，強調了不同材料在結構可控性、可加工性與穩定性之間的取舍與協同。

以界面工程與缺陷治理為切入點，歸納了界面相容增強、無針孔連續膜層構筑及缺陷封堵/自修復等方法，為高性能材料實現大面積、低缺陷成膜提供了可行路徑。

強調了從材料到工藝的轉化路徑，將可溶/可分散、可重構、可熔融或可熱塑加工等不同路徑與適用材料類型對應起來，為連續涂布、卷對卷制備及后續模塊化集成等放大制造提供參考。

最后在展望中還提出了相關看法，文中指出除性能提升外，還需關注可制造、可集成與可驗證，以推動微孔膜材料由實驗室研究走向工程應用。

圖文解析

圖1 （a）純有機微孔膜與（b）MOF 基膜相關研究的年度發表論文數量。數據來源于 Google Scholar 網站，統計截至 2025 年 8 月 17 日。

圖2 具有代表性的無定形微孔有機聚合物膜發展歷程。

圖3 具有代表性的晶態微孔有機框架膜發展歷程。

圖 4 膜制備的加工路徑與孔結構設計。(a) 溶液法加工，包括溶液澆鑄、旋涂與相轉化；(b) 晶態–無定形共混體系；(c) 原位合成，例如聚芳酯、COF和 POC；(d) 本征微孔結構調控，包括柔性、半剛性與剛性分子篩結構；最右側同時具有亞納米孔道與親水官能團；(e) 交聯與熱加工，例如超交聯聚合物、熱交聯聚合物，以及熱解形成碳分子篩（CMS）后的孔結構。

圖5 (a) 通過液–液界面光控（photo-tailored）界面聚合制備 COF 膜與膜樣品圖；(b) TpBd-COF 膜的制備流程與膜樣品圖；(c) 采用噴涂（spray-coating）法制備 COF/PVP 膜及分離性能圖；(d) HPABP-CC3 膜的制備與膜樣品圖。

圖6 MOF 膜制備的溶膠–凝膠（sol–gel）加工方法。

圖7 用于大面積 MOF 膜制備的可規模化溶液加工。(a) MMPs 的形成機理與晶體結構，以及改性聚砜基底上 MMP-3 膜的截面形貌圖；(b) 合成示意圖、乳光懸濁液的數字照片、NUS-8 納米片的形貌圖，以及聚丙烯腈基底上 NUS-8 膜的照片。

圖8 用于 MOF 基混合基質膜（MMMs）的 MOF–聚合物復合策略。(a) 通過 MOF–聚合物共混提升溶液加工性；(b) 采用封孔聚合物涂層制備取向單層多面體膜；(c) 通過取向調控在 MMMs 中實現高負載 MOF 納米片；(d) 在聚合物基體內原位生長 MOF 填料。

圖 9 玻璃態 MOF 基膜材料的研究進展。

圖 10 原位界面生長方法用于大面積 MOF 膜制備。

圖 11 (a) 直徑約 4.7 cm 的自支撐 CMT 膜及其單組分氣體滲透性能；(b) 通過熱脫氟誘導交聯形成微孔聚合物膜的示意圖。

圖12 由 Trip(Me?)-TB 衍生的碳分子篩（CMS）膜。(a) 不同熱處理溫度下的表面與截面形貌；(b) 在 600 ℃ 與 900 ℃ 熱處理后的孔結構演化；(c) 可能的結構單元及高分辨透射電鏡（HRTEM）圖像；(d) C?H?/C?H? 分離性能。

圖 13 用于制備取向 COF 混合基質膜（Ori-COF MMMs）的單向凍結過程示意圖及其對應的 SEM 圖像。

圖 14 PDMS/MOF-NS/PVDF 膜的結構與性能。(a–b) PDMS/MOF-NS/PVDF 膜的示意圖與表面圖像；(c) MOF 納米片（MOF-NS）的層狀結構及層間通道；(d) PDMS/MOF-NS/PVDF 膜的分離性能。

圖 15 (a) Ca-COF 膜的化學結構及用于滲透能獲取的示意圖；(b) Ca-COF 膜及其對應 COF 膜的輸出功率密度與電流密度；(c) Ca-COF 膜及其對應 COF 膜的能量轉換效率（?）。

圖 16 用于鋰提取的 PIM 膜。(a) 選擇性電滲析過程示意圖；(b–c) PIM 膜的照片及其分離性能。