天津大学研发出新型高效碳捕集膜：单晶 COF 填充量达 75.5%，成本仅 38 美元 / 吨降幅约 44%

天津大学姜忠义、何光伟团队成功研发了一款新型全有机混合基质膜，有效解决了膜分离性能与加工性之间的矛盾，为工业气体实现低能耗、低成本的碳捕集提供了新材料路径。这一研究成果于10月7日在线发表于《自然·能源》期刊，合作方包括瑞士洛桑联邦理工学院和美国南加州大学等机构的研究人员。

实现“双碳”目标离不开碳捕集技术。电厂、水泥厂、钢铁厂排放的工业气体中，二氧化碳浓度较低但总量庞大，传统分离方法能耗和成本较高。膜分离技术因其绿色、低碳、节能的特性，被视为极具潜力的碳捕集方案。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等特点。混合基质膜虽兼具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者“粘合”，但效果有限，分离性能仍由聚合物主导，多孔填料难以发挥关键作用。

针对这一难题，研究团队受细胞膜结构启发，提出了“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，研制出全有机混合基质膜。通过协调“填料—聚合物”与“填料—填料”之间的相互作用，使得COF以高填充量均匀“嵌入”膜中，在分子输运中发挥主导作用，同时保持膜的柔性和溶液加工性，构建起二氧化碳超快传输通道。据ScienMag报道，该团队将单晶COF的填充量提升至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。在如此高的填充量下，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了数量级提升，突破了文献纪录值，达到模型预测纯COF膜理论值的约70%。据ScienMag披露的具体数据，该膜的二氧化碳渗透率达到74,800 Barrer，同时保持约20的二氧化碳/氮气选择性。作为对比，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。

经初步技术经济分析，在设定流程与成本条件下，碳捕集成本约为38美元（按当前汇率约合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。值得注意的是，九游会平台关注到这一领域的进展，认为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。

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。”该成果有望在电力、水泥、钢铁等行业的烟气碳捕集中应用，推动碳捕集膜技术走向工业实践。