近期，中国科学技术大学环境科学与工程系刘江涛老师课题组在多孔有机笼膜用于高效二氧化碳分离捕集方面取得新进展。团队提出采用分子工程策略，通过将2,5-DHA-TAEA分子笼引入固有微孔聚合物PIM-1基质中，巧妙利用分子笼精确的3.6 Å窗口及表面羟基极性位点，成功构建了基于“限域筛分-极性吸附”协同机制的高效碳捕集膜。相关研究成果以“Porous Organic Cage Membranes for Efficient CO2 Capture”为题发表于Environmental Science & Technology。

图 用于高效CO2分离捕集的多孔有机笼膜

二氧化碳排放是诱发全球变暖的核心诱因之一，高效碳捕集技术是实现双碳目标的关键路径。相较于传统化学吸收法与物理吸附法，膜法碳捕集具有能耗低、工艺流程精简、易于连续化及模块化运行等优势。然而该技术现阶段仍存在两大核心发展瓶颈，即气体渗透性能与分离选择性之间的固有权衡效应，以及复合膜体系长期工况下运行稳定性问题。如何打破渗透性–选择性制衡关系，在维持高通量的基础上同步强化膜材料的分离选择性与长期结构稳定性，已成为碳捕集膜领域急需解决的关键科学难题。

多孔有机笼（POCs）作为可溶的离散分子，能够与聚合物基质实现分子级混合，在此，团队提出一种分子工程策略：将分子笼引入固有微孔聚合物（PIM-1），该分子笼具有精确的3.6 Å窗口（介于CO2和N2的动力学直径之间），结合其骨架外表面的多个羟基（-OH）极性位点，这种独特的结构建立了一种协同的“限域筛分-极性吸附”机制。该膜在高压（20 bar）、高温（100 ℃）和120天老化条件下均展现出较好的稳定性，CO2渗透性和CO2/N2选择性分别提高了115%和145%。该研究提出的“限域筛分+极性吸附”协调机制，为CO₂分离捕集膜设计提供了新的理论框架。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科大雏鹰基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.6c00727