东北大学突破二氧化碳分离膜性能极限

二氧化碳（CO2）分离技术是天然气净化、氢气生产及碳管理产业链中的核心环节。目前，基于薄膜过滤材料的方法应用Zui为广泛，但行业长期面临一个棘手难题：那些能让CO2快速通过的膜材料，往往在分离其他气体时效率低下；而选择性极高的材料，又会导致CO2传输速度显著下降。这种渗透性与选择性之间的“跷跷板”效应，被称为“Robeson上限”困境，长期以来制约着膜技术的性能突破。

打破三十年性能天花板

来自日本东北大学及合作机构的研究人员近日取得重大进展，他们开发出一类新型杂原子工程共价有机框架（COF）基混合基质膜（MMM）。该材料成功克服了上述局限，其CO2分离性能超越了2008年确立的Robeson上限——这一基准值曾被视为气体分离膜性能的天花板。相关成果已于2026年5月21日发表在《美国化学会志》上。

研究团队通过设计两种新型多孔材料解决了这一难题。这些材料经过特殊工程化改造，能与CO2分子产生强烈相互作用。当它们被嵌入聚合物膜中时，形成了既吸引CO2分子又允许其快速通过的通道。Zui终优化的膜材料实现了高速CO2传输与对甲烷、氢气的高精度分离的完美平衡。

精准调控孔道化学环境

在天然气升级、氢气纯化和碳捕集等工业场景中，现有的胺洗涤和低温分离技术能耗高且操作复杂，市场亟需更节能的膜替代方案。混合基质膜通过结合多孔填料与聚合物基体，被视为提升分离性能的希望所在，但大多数膜材料仍受限于渗透性与选择性的内在权衡。

共价有机框架（COF）作为具有原子级孔道结构和可调化学功能的结晶多孔聚合物，为解决这一矛盾提供了新思路。然而，由于化学功能团的改变往往同时影响骨架拓扑和孔几何形状，系统理解孔表面化学如何影响气体传输一直极具挑战。东北大学多学科先进材料研究所助理教授Saikat Das博士指出：“为了隔离孔化学的作用，我们设计了两种仅在杂原子组成上不同的同构COF。”

团队利用含氧或含硫的化学组分，开发了结构相似的多孔材料TUS-621和TUS-622。尽管两者结构几乎相同，但富含氧的TUS-621对二氧化碳表现出更强的吸引力，并允许气体更顺畅地通过，从而显著提升了CO2分离性能。计算研究进一步揭示，CO2分子与富氧孔环境之间更强的电子耦合，在增强选择性吸附和传输中起到了关键作用。

从实验室走向工业化应用

综合混合气体渗透实验表明，优化后的TUS-621/Pebax-10%膜不仅在CO2/CH4分离方面超越了2008年Robeson上限，而且在连续运行30天、宽压力和温度范围内，仍保持卓越的分离性能。东北大学多学科先进材料研究所的Yuichi Negishi表示：“这项研究证明，在结构受控的COF中进行的杂原子工程，可以根本性地重塑膜传输行为。我们相信这一策略为实用化、节能型碳捕集和气体分离技术开辟了新路径。”

日本在高性能材料基础科学研究方面底蕴深厚，东北大学等机构在多孔材料领域的持续突破，反映了其从微观分子设计到宏观性能优化的完整研发体系。对于中国行业从业者而言，这一成果不仅验证了“孔道化学工程”在打破传统分离极限上的有效性，更提示我们在下一代碳捕集膜材料的研发中，应更加关注分子层面的电子耦合机制与孔结构稳定性的协同优化，以加速高性能分离膜从实验室走向大规模工业应用。