天然气中混入二氧化碳，会大幅降低燃烧效率且腐蚀输送管道；石油炼化过程中，那些化学组成相同、仅空间结构有别的“分子双胞胎”，更是长期困扰行业的分离难题。
3月31日，科技日报记者从南京工业大学获悉，该校顾学红、王学瑞教授团队历经五年攻关，研发出“胚胎沸石介导缝合成膜”新策略，成功制备出可规模化生产的高性能沸石分子筛膜，为破解这一行业痛点提供了全新方案。相关研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《自然·通讯》，为工业气体分离领域装上了“分子级精准筛选器”。
据悉，规模化制备新型分离材料、降低气体分离能耗，是能源化工行业长期面临的“老大难”问题。沸石分子筛膜作为一种高效分离材料，其表面布满亚纳米级的超小细孔，可根据分子尺寸差异实现精准筛分，在天然气净化、石油炼化等领域具有广泛应用前景。
“传统沸石分子筛膜的制备的过程中，始终存在两大核心痛点。”顾学红教授介绍，一方面，传统膜层厚度偏厚，导致气体分子穿透时阻力较大、传输效率偏低；另一方面，从实验室规格的膜样品放大至工业级产品时，膜体易出现缺陷，进而大幅降低分离效果，严重制约了其工业化应用。
为破解这两大难题，顾学红、王学瑞团队耗时五年潜心研究，创新提出“胚胎沸石介导缝合成膜”新策略。论文第一作者游乐凯用通俗的比喻解释了这一技术突破：“传统方法消除膜层缝隙，就像在石子路上铺沥青，只能简单覆盖表面；而我们的新策略，就像用一根‘针线’，从原子层面将沸石分子筛晶体精准‘缝合’，最终形成‘无缝衔接’的致密分离膜。”
具体而言，该策略先制备出短程有序的“胚胎沸石”作为反应中间物，再通过缩合反应，将沸石分子筛晶体连接缝合，形成连续致密的沸石分子筛膜，可精准控制膜层厚度与初始晶种层厚度保持一致，从根源上解决了膜层过厚和缺陷问题。
基于这一创新策略，团队取得了三项关键突破。王学瑞教授介绍，其一，膜层实现超薄化，厚度降至560纳米，有效降低了气体穿透阻力，提升了分离效率；其二，分离精度大幅提升，二氧化碳与甲烷的分离选择性达到158，这意味着每透过300个分子，甲烷分子的数量还不到2个，筛分精准度显著优于传统材料；其三，实现了规模化制备，成功打造出由40厘米长、102根中空纤维分子筛膜组成的0.5平方米膜芯，顺利完成从实验室样品到工业级组件的跨越，为实际应用奠定了基础。
顾学红教授表示，该研究成果打破了传统沸石分子筛膜规模化制备的技术瓶颈，为其在天然气提氦、天然气脱碳、同分异构体分离等工业气体分离领域的落地应用，提供了切实可行的技术路径，对推动能源化工行业节能降耗、助力“双碳”目标实现具有重要意义。
