作者:Bo Wang, Chen Zhang, Junrui Zhang, Ji-kun Yin, Xiaomin Song, Haochen Ye, Qing-hua Li, Jun-chao Lao, Tie Wang

第一作者和单位：王博（副研究员）天津理工大学

通讯作者和单位：王博（副研究员）、王铁（教授）天津理工大学

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-026-69949-1

1、研究背景：

聚合物膜在气体分离领域具有广阔的应用前景，然而，设计一种同时具备高分离性能和结构稳定性的聚合物膜仍具有挑战。在实际应用中，膜分离技术往往需要在高压等苛刻环境下应用，这容易导致聚合物链段被压实或塑化，从而破坏膜结构，降低气体分离能力。尽管通过增强链间相互作用（如氢键、金属配位键）可以提高膜结构稳定性，但这通常会牺牲聚合物的自由体积，抑制气体分子的传递。自然界中动物骨骼由刚性的羟基磷灰石和柔性的胶原蛋白交替排列构成，这种“刚柔并济”的协同作用赋予了骨骼卓越的机械性能。受此启发，我们拟在聚合物网络中构建独立异相功能区，利用二者的协同效应在提升气体分离性能的同时兼顾膜结构稳定性。

2、文章简介：

近日，天津理工大学生命健康智能检测研究院王铁&王博团队在Nature Communications上发表了题为“Gas separation with binary-cooperative heterogeneous membranes”的研究论文。该工作提出利用微区界面聚合策略重构聚合物网络，制备出具有褶皱形貌的异质结构膜。研究发现，该异质膜呈现出微相分离现象：波峰区域富集了更多的酰胺基团，作为CO₂亲和位点，形成了快速的CO₂传输通道；波谷区域则富集了更多的刚性基团，不仅增强了CO₂的扩散能力，还赋予了膜优异的抗压性能。这种波峰与波谷的双功能区协同效应，使膜在1.0 MPa压力下展现优异的CO₂渗透率和CO₂/N₂选择性。这项研究为开发适用于苛刻环境的高耐久性聚合物膜提供了新的设计思路。

3、研究内容：

3.1异质结构的构建

通过微区界面聚合技术，在溶胀的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微孔中锚定有机相单体（均苯三甲酰氯，TMC），随后与水相单体（哌嗪，PIP）反应，构建了异质结构膜。通过调控TMC溶液倾出后的“停留时间”，可以获得不同形貌的膜：停留时间较短（如30-120秒）时，发生液-液微区界面聚合，形成具有起伏（波峰/波谷）形貌的异质膜（PT-1,PT-2, PT-3）；停留时间>160s，则发生液-固界面聚合，形成表面光滑的均质膜（PT-4,PT-5）。关键的发现来自于原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR）的表征结果。通过对官能团的空间分布进行成像，研究团队观察到异质膜中的微相分离现象（图1）：代表酰胺基团（C=O,C-N）的信号主要富集在起伏结构的波峰位置；而代表苯环基团（C=C,C-H）的信号则主要集中在波谷位置。

图1异质结构构建示意图及AFM-IR表征

3.2异质结构的形成机制

为了揭示这一微相分离结构的形成机理，团队采用了拉曼扫描光谱进行分析。在异质膜（PT-1,2,3）的形成过程中（液-液界面聚合），溶胀在PDMS微孔中的溶剂（正己烷）携带TMC单体持续向界面输送，促进了聚酰胺膜的连续生长和融合，最终形成起伏结构。固定焦点模式的拉曼光谱显示，代表苯环的信号在基底表面（未来的波谷位置）早期出现后逐渐减弱，表明聚酰胺膜（未来的波峰）在此处生长并覆盖了基底。而在均质膜（PT-4,5）的形成过程中（液-固界面聚合），由于微孔中缺乏溶剂，TMC单体难以持续供应，聚酰胺膜无法充分生长融合，最终形成紧密堆积的光滑表面。

3.3异质结构的力学性能

由于波峰和波谷区域不同的化学组成和微观结构，异质膜表现出优异的力学性能（图2）。在水平拉伸测试中，异质膜（PT-1,2,3）通过其起伏形变的应力释放效应，在100次拉伸循环后仍无可见裂纹；而均质膜（PT-4,5）在5次循环后即出现明显裂纹。在垂直压力模拟测试中，通过AFM的纳米力学映射发现，波峰区域具有更低的杨氏模量（更“柔”），能通过形变有效释放垂直压力；而波谷区域具有更高的杨氏模量（更“刚”），表现出优异的抗压能力。金纳米颗粒示踪实显示随着压力增加，波峰宽度被压缩，证明了其形变释压的过程。

图2异质膜力学性能测试与分析

3.4异质结构的气体分离性能

得益于“柔性”波峰和“刚性”波谷的双功能区协同效应，异质膜在高压下展现出卓越的气体分离性能。在1.0 MPa压力下，PT-3膜展现出最优性能，CO₂渗透率约3000 GPU，CO₂/N₂选择性相比均质膜（PT-4和PT-5）大幅提升。与文献中报道的膜相比，本工作的异质膜在CO₂渗透率和选择性上均具有显著优势。金纳米颗粒覆盖实验和COMSOL模拟均证实，气体在异质膜波峰处的扩散速率远高于波谷。

4、结论与展望：

本研究利用微区界面聚合技术构建了具有微相分离现象的异质褶皱聚合物膜结构。波峰和波谷区域富集不同的官能团，分别体现气体传输和抗压的双功能。这种二元协同效应使膜在承受高压的同时，实现了气体渗透性和选择性的同步大幅提升，有效解决了传统聚合物膜分离性能与结构稳定性间难以兼顾的问题。这项工作不仅为CO₂捕集提供了高性能膜材料，更展示了一种普适性的膜结构设计策略。未来，通过改变反应单体或制备条件，可以在膜内引入更多对立但协同互补的功能区（如亲水-疏水、有序-无序、极性-非极性），有望实现对异构体等难分离体系的高效分离，并拓展膜材料在高温、酸碱等更苛刻环境中的应用。

5、致谢：

本工作受到国家重点研发计划（2023YFB3210100）、国家自然科学基金（21925405, 22408277）和天津市自然科学基金（25JCYBJC00570）等项目的资助。