混合基质复合膜调控结晶度与扩散路径增强N2 /CH4 分离性能研究

　　为解决氮气(N2 )与甲烷(CH4 )分离效率低的技术难题，天津大学团队开发了基于聚酰亚胺/聚丙烯腈(PI/PAN)的薄膜复合(TFC)混合基质膜(MMM)。通过调控TYUT-96Cr纳米颗粒负载量(30 wt.%)和选择性层厚度(13-19 μm)，实现了N2 渗透率(3.68-12.47 GPU)与选择性(51.96-63.78)的协同提升，为天然气净化提供了高效节能解决方案。

　　

随着全球天然气年需求量预计在2040年达到200万亿标准立方英尺，高含氮天然气(NRNG)净化成为行业痛点。传统低温蒸馏法能耗巨大，而现有膜技术又面临N₂
(动力学直径3.64 ?)与CH₄
(3.80 ?)分子尺寸相近的分离困境。天津大学团队在《Journal of Membrane Science》发表的研究，创新性地将铬基金属有机框架(TYUT-96Cr)纳米颗粒嵌入PI/PAN基质，通过"结晶度调控-扩散路径优化"双策略破解了这一难题。

研究采用X射线衍射(XRD)表征MOF结构，通过正电子湮灭寿命谱(PALS)分析自由体积分数(FFV)，结合气体渗透测试系统评估性能。关键发现包括：(1)TYUT-96Cr的引入使聚合物网络间距从5.8 ?缩减至4.1 ?；(2)PALS显示小尺寸微孔(I₃
)占比提升7倍，有效孔径<0.39 nm；(3)最优条件下N₂
/CH₄
选择性达63.78，突破Robeson上限。

【材料与试剂】部分证实，选用Matrimid?5218聚酰亚胺因其5.20的N₂
/CH₄
扩散选择性优势，与PAN基底通过C=O···C≡N相互作用增强界面稳定性。

【结构与表征】显示，TYUT-96Cr的不对称多面体形态(500 nm粒径)比球形填料更利于传质。XRD在9.0°和30.2°的特征峰证实其晶体结构完整性。

【结论】指出，薄膜厚度从19 μm减至13 μm时，虽渗透率提升至12.47 GPU，但选择性下降至51.96，揭示出厚度与性能的权衡关系。这种"分子筛分-快速扩散"协同机制源于：PI基质控制尺寸筛分(小微孔主导)，而MOFs的Cr(III)活性位点促进N₂
特异性吸附(吸附选择性13.67)。

该研究不仅为天然气提质提供了新型膜材料，更开创了"界面工程-晶体调控"的MMM设计范式。通过精确控制填料几何形态(高长径比MOF片晶)与聚合物链排列，实现了亚埃级(0.1 nm)孔径调控，这对开发其他小分子气体分离膜具有普适指导意义。基金支持来自国家重点研发计划(2021YFB3801200)和天津大学种子基金(2024XJD-0058)，体现了国家在能源材料领域的战略布局。