由于具有明確、均勻的孔徑和特定的吸附特性，分子篩（沸石）能夠分離具有相似大小和形狀的分子。同時，混合基質膜（MMMs）作為下一代氣體分離膜提供了一條新的途徑，通過將填料的選擇性和滲透性性能、穩健性和不老化特性與聚合物的易于加工、處理和放大相結合，更有效地進行能量密集型分離。然而，事實證明，真正將所有材料結合到一種材料中是非常具有挑戰性的。

魯汶大學Ivo Vankelecom教授和Michiel Dusselier教授將以吸引二氧化碳（CO₂）而聞名的高負載（>50 wt%）鋁硅酸鹽SSZ-39放入與其相容的商業化聚酰亞胺中。所得到的混合基質膜具有柔性和無缺陷性，顯示出良好的二氧化碳分離性能，甚至超過了純沸石膜的性能。相關研究成果“Truly combining the advantages of polymeric and zeolite membranes for gas separations”為題發表在Science上。

實際上，在過去的幾十年中，膜技術已經成熟為許多能源密集型分離的成熟技術。與傳統技術相比，膜技術提供了更可持續的替代方案，因為它的能耗低，占地面積小，模塊化設計，使得在現有工廠中改造膜成為可能。膜已經用于氣體分離，例如天然氣凈化、合成氣處理和空氣分離，并正在成為移除CO₂的常見策略。

雖然傳統的聚合物膜價格便宜且可加工，但它們經常存在老化問題或固有滲透性-選擇性權衡，這使得獲得高滲透性和足夠的選擇性具有挑戰性。另一方面，由沸石或其他結晶微孔材料（例如金屬有機框架（MOF））制備的無機膜通常表現出更好的分離性能，但往往更脆，更昂貴，并且具有較差的可加工性和可擴展性。混合基質膜（MMM）由嵌入聚合物基質中的填料組成，旨在將聚合物膜的內在優勢與填料的優異氣體分離性能相結合。

沸石具有明確的剛性孔隙和優異的熱穩定性和化學穩定性，對MMM的發展具有重要意義。由于橡膠聚合物（如聚二甲基硅氧烷）固有的低選擇性和高滲透性中和了沸石的優點，因此剛性玻璃聚合物是開發高性能沸石填充MMM的關鍵。

然而，沸石和玻璃狀聚合物之間的粘合性差通常導致非選擇性界面空隙。因此，獲得高沸石負載量（≥50 wt%），同時保證無缺陷的聚合物-沸石界面，結合高選擇性沸石和適當的玻璃狀聚合物基質，對于創建高性能MMM以應對各種最關鍵的分離挑戰至關重要。

在此，一個板狀親CO₂、小孔（八元環）AEI型沸石（SSZ-39），具有長程有序三維 （3D） 通道系統和氣體選擇性窗口，摻入商業化的聚酰亞胺（Matrimid 5218）聚合物中。通過精心設計沸石和MMM的合成，作者創建了一條橫跨柔性和耐老化（超過1年）膜的策略。~423的CO₂-CH₄混合氣體選擇性和~8300 Barrer的CO₂滲透性，優于所有現有的聚合物基膜，甚至大多數純沸石膜。

同時，使用一種可擴展的方法，用商業化的玻璃狀聚合物制備無缺陷的沸石填充膜，從而為開發可加工性良好、堅固且經濟的高性能沸石填充MMM打開了大門，對于那些難以被設計成無缺陷沸石薄膜的沸石尤其有益。

圖1. SSZ-39沸石表征

圖2. 板形Na-SSZ-39 MMM的SEM圖像

圖3. Na-SSZ-39 MMM的氣體分離性能

圖4. 板形Na-SSZ-39 MMM的表征和插圖

Xiaoyu Tan, Sven Robijns, Raymond Thür, Quanli Ke, Niels De Witte, Aran Lamaire, Yun Li,Imran Aslam, Daan Van Havere, Thibaut Donckels, Tom Van Assche, Veronique Van Speybroeck, Michiel Dusselier, Ivo Vankelecom, Truly combining the advantages of polymeric and zeolite membranes for gas separations, 2022, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade1411