近日，广东以色列理工学院何雪忠教授课题组在材料与能源领域取得突破性进展，相关成果以“Adsorption-enhanced carbon membranes derived from copolyimide for ultrafast subangstrom discriminating CO2 separation”为题，发表于国际权威期刊 Science Advances（IF: 12.5）。博士研究生王开放为论文第一作者，何雪忠教授为唯一通讯作者。

该研究成功开发出一种刚性共聚酰亚胺前驱体，并在精确控制的碳化过程中构筑出一种吸附增强型碳分子筛膜，在 CO2 分离性能上取得显著突破。此项进展为高效碳捕集与清洁能源生产提供了关键材料支持，有望推动相关产业的绿色升级。

课题组合照

作为《Science》期刊家族的核心成员，Science Advances致力于发表涵盖所有科学领域的高水平研究成果，以严苛的学术评审标准和卓越的学术影响力著称。在该刊发表论文，标志着学者研究成果已获得国际顶尖科学界的认可。

关于该研究

二氧化碳（CO2）分离与捕集是能源与环境领域实现低碳转型的关键环节。当前工业上广泛采用的化学吸收法普遍存在能耗高、设备复杂、运行成本高等问题，难以满足大规模、长期运行的需求。相比之下，膜分离技术因其能效高、流程紧凑、模块化程度高且无需相变操作，被认为是最具潜力的新一代 CO2分离方案。然而，传统高分子膜材料长期受限于“通量–选择性权衡”这一经典瓶颈：气体通量提高往往以牺牲分离精度为代价，反之亦然。如何在高通量与高选择性之间实现真正突破，成为膜分离领域亟待解决的核心科学问题。

碳分子筛膜因其刚性结构和可调控微孔体系，被视为突破这一瓶颈的理想平台。但现有碳膜多源自对称结构的聚酰亚胺前驱体，在高温碳化过程中容易形成过于致密、类石墨化的碳结构，限制CO2的传输效率，难以同时实现高通量和高分辨率分离。

为解决此问题，研究团队通过分子设计策略，成功开发出一种刚性共聚酰亚胺前驱体，并在精确控制的碳化过程中构筑出一种吸附增强型碳分子筛膜，在 CO2 分离性能上取得显著突破。

研究团队设计的 6FDA–DAM–AB-TFMB 共聚结构具有独特的分子优势。其中引入的 AB-TFMB 单体呈刚性非共面构型，并在主链中同时含有 –CH3 和 –CF3 挥发性取代基。在碳化过程中，这些基团可受控脱除并释放小分子气体，有效阻止碳层过度堆叠，诱导形成尺寸精准可调的超微孔结构（4–7 Å）。与此同时，刚性骨架保持整体结构稳定，最终构建出具有双模孔径分布的碳基框架：较大的微孔（7–20 Å）用于快速气体传输，而超微孔则实现对气体分子的亚埃级精细筛分。

借助原位热重-质谱联用（TGA-MS）、热重-红外联用（TGA-FTIR）以及分子动力学模拟，研究系统揭示了共聚酰亚胺在碳化过程中经历的“链断裂-芳构化-孔隙生成”的多步演化路径，明确了该碳膜中由“吸附选择性与分子筛分协同主导”的全新气体传输机制。

在此基础上，所制备碳膜展现出国际领先的分离性能：CO2 渗透率高达 15,700 Barrer，CO2/N2 选择性为 63，CO2/CH4选择性达 52，综合性能全面超越 2019 年膜分离 Robeson 上限，并在老化测试后仍保持优异稳定性。

该研究通过前驱体分子结构的精准设计，在亚纳米乃至原子尺度上实现了“可设计的孔道工程”，为打破膜分离领域长期存在的“通量–选择性”宿命提供了全新思路。研究团队正进一步推进中空纤维化碳膜制备，以提升膜堆装填密度和机械强度，为 CO2 捕集、天然气净化和生物沼气提纯等大规模应用奠定材料基础。

论文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv8650

学者简介

何雪忠，广东以色列理工学院化学工程系副教授、博士生导师，挪威科技大学化学工程博士（2011年）。研究方向为气体膜分离技术，涉及碳捕集、氢气分离及天然气纯化等领域。国家自然基金外国优秀青年学者研究基金获得者、“高端外国专家项目”获得者、连续多年入选“全球前2%顶尖科学家”榜单。在权威期刊（Nat. Commun., Sci. Adv., Adv Sci., J. Membr. Sci., AIChE J.等）发表论文100余篇，总引用6300余次，H-因子41。授权专利4项。在国际学术大会上作口头/受邀/主题报告共40多个。担任Separation and Purification Technology和Carbon Capture Science & Technology等期刊编委。先后主持/参与国家自然科学基金、科技部重点研发计划（中以联合研究项目）、广东省自然科学基金、深圳市科创委、汕头市科技局、挪威研究理事会（RCN)和欧盟FP6等10 余个项目，与工业界挪威国家石油 （Equinor)、NORCEM水泥厂、空气化工产品公司 (Air Products)、中集海工，纯水一号等有过紧密的项目合作，参与Norcem水泥厂和中集海工船舶平台碳捕集CCUS技术攻关。

文：何雪忠、GTIIT传媒与公共事务部

图：何雪忠 供