天津大学团队开发高效碳捕集膜：单晶 COF 高填充构建二氧化碳快速通道

10 月 8 日消息，据新华社及相关科技媒体报道，天津大学姜忠义、何光伟团队研制出一种新型全有机混合基质膜，在碳捕集膜材料的分离性能、稳定性与加工性之间取得新的平衡。该成果已于 10 月 7 日在线发表于《自然·能源》，合作研究机构包括瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）和美国南加州大学等。来源显示，这一膜材料通过高比例引入单晶共价有机框架（COF），为电厂、水泥、钢铁等工业烟气的低能耗、低成本二氧化碳捕集提供了新的材料路线。

从“粘合”到“镶嵌”：让 COF 成为传输主角

碳捕集是实现“双碳”目标的重要技术环节。工业烟气中的二氧化碳浓度通常不算高，但排放总量巨大，传统分离路线往往面临能耗和成本压力。膜分离因具备流程相对简单、能耗较低、绿色低碳等特点，被认为是后续碳捕集技术的重要方向之一。

不过，真正面向工业场景的膜材料并不只看单一性能指标。它需要同时满足高渗透性、高选择性、长期稳定性和可规模化加工等要求。混合基质膜试图把聚合物的易加工性与多孔填料的高效传输能力结合起来，但两类材料性质差异明显，容易出现界面相容性问题。传统做法通常是增强两者之间的作用力，让材料“粘得更牢”，但分离表现仍往往由聚合物主导，多孔填料难以充分发挥作用。

天津大学团队此次受到细胞膜结构启发，提出“弱界面力镶嵌”策略，将具有规整有序孔道的单晶 COF 与聚合物复合。通过调控“填料—聚合物”和“填料—填料”之间的相互作用，COF 能够以较高填充量均匀嵌入膜中，并在气体分子输运过程中承担更核心的角色，同时保留膜的柔性与溶液加工性。

关键性能：高填充量与高渗透率同时出现

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。在混合基质膜领域，这类高比例填充此前被认为较难实现。其意义在于，填料不再只是聚合物中的“辅助添加剂”，而是有机会形成气体分子传输的连续网络，为二氧化碳建立更快速的通道。

在模拟烟气混合气测试中，来源显示，该全有机混合基质膜的二氧化碳渗透率实现数量级提升，并达到模型预测纯 COF 膜理论值的约 70%。ScienMag 披露的具体数据为：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。作为参考，商用聚合物膜在燃烧后碳捕集场景中的渗透率通常处于数十至低数百 Barrer 量级。

• 材料路径：全有机混合基质膜，复合单晶 COF 与聚合物；
• 结构策略：以“弱界面力镶嵌”提升高填充下的均匀性与加工性；
• 性能亮点：在模拟烟气中实现高二氧化碳渗透率，并保持一定选择性；
• 稳定性：在含水分、硫氧化物和氮氧化物的测试条件下表现稳定；
• 潜在场景：面向电力、水泥、钢铁等行业烟气碳捕集。

成本与产业解读：材料突破仍需工程验证

成本是碳捕集能否走向规模化部署的关键。来源称，经初步技术经济分析，在设定流程与成本条件下，该膜路线的碳捕集成本约为38 美元/吨二氧化碳。另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，也曾将碳捕集成本从约 68 美元/吨降至约 38 美元/吨，降幅约 44%。同时，相关来源给出的区间显示，膜分离法碳捕集成本一般在 26 至 80 美元/吨，传统胺基吸收法则在 30 至 66 美元/吨。

从科技产业角度看，这项研究的价值不仅在于单项性能数字提升，更在于为高性能膜材料提供了一种新的设计思路：通过可控界面与有序孔道网络，让功能填料真正参与并主导分子传输。对于碳捕集这样的重工业减排场景，材料性能、膜片制备、组件封装、抗污染能力、长期运行维护和系统成本都需要联动优化。

因此，这项成果更像是从基础材料走向工程应用的一块关键拼图。若后续能够在更大面积膜制备、真实烟气条件、连续运行寿命和产业化制造成本上继续验证，其有望推动碳捕集膜技术从实验室性能突破迈向更接近工业部署的阶段。