膜分離技術是適應當代新產業發展最有前途的分離技術之一。與傳統的分離凈化工藝相比，膜分離技術分離條件溫和，選擇性更高，逐漸在石油、天然氣、化工、醫藥、輕紡、冶金、電子、食品、環保、海水淡化等領域得到廣泛關注和應用。與其他聚合物分離膜相比，自聚微孔聚合物中大量的微孔可為氣體提供良好的傳輸通道，備受全球學者的關注。然而，孔徑分布寬和難調控是其進一步提升氣體分離效率瓶頸難題。
近期，中國科學院山西煤炭化學研究所李南文研究員課題組、覃勇研究員課題組與天津工業大學馬小華教授合作，在自聚微孔聚合物孔徑調控和氣體分離方面取得新進展。該工作以自具微孔聚合物（PIM-1）為基礎，利用原子層沉積技術（Atomic layer deposition, ALD)，在原子尺度上精準調控PIM-1的孔結構，獲得孔徑在2.9-3.8Angstrom范圍精準可調的膜材料，實現了二氧化碳/甲烷、氧氣/氮氣和氫氣/甲烷的高效分離。
原子層沉積技術應用于PIM-1中實現孔徑調控具有獨特優勢。首先，采用ALD沉積氧化鋁，通過控制沉積循環數實現PIM-1微孔的孔尺度的精確調控。其次，通過ALD處理的PIM-1可在保持原有的薄膜高滲透通量同時顯著提高氣體分離選擇性，其氧氣/氮氣和氫氣/甲烷選擇性遠遠高于2015年的Trade-off上限，二氧化碳/甲烷選擇性高于最新的upper bound上限。此外，氧化鋁與PIM-1的鍵合作用還能提升薄膜機械性能和穩定性。
這種精準調控孔徑的方法為現階段氣體分離膜材料所面臨的瓶頸提供了一種新策略，具有廣泛的普適性，為PIM-1工業化應用奠定了良好基礎。該成果近日發表在《德國應用化學》。