近日，我校材料科学与工程学院孙道峰教授团队在自支撑分子筛膜制备方面取得最新研究进展，相关论文《沸石基“颗粒板”膜用于快速选择性氢气渗透》（Zeolite-based “Particle Board” Membranes for Rapid and Selective Hydrogen Permeation）于近期在材料科学顶级期刊《Advanced Functional Materials》上在线发表。我校材料科学与工程学院博士生逄佳为第一作者，王荣明教授和康子曦教授为通讯作者。
沸石，以其独特的孔隙结构和对极端条件（包括显著的湿度、高温和高压）的耐受性，被认为是一种潜在的高效分离介质，用于从混合物中选择性地分离氢气（H2）。尽管沸石粉末产品已广泛应用于石化工业的催化和吸附，但加工大规模、高质量的沸石膜仍然具有挑战性。晶间缺陷和昂贵的多孔陶瓷基底是制约大面积多晶沸石膜加工的关键因素。这些缺陷不仅影响沸石膜的结构完整性，还限制了其在气体分离等领域的应用潜力。在混合基质膜中，沸石与聚合物之间的相容性差限制了高比例沸石的添加，从而影响了沸石有序微孔的充分利用。因此，开发一种简便、高效的方法来制备以沸石为主导的复合膜是十分必要的。
针对以上问题，我们引入了固有微孔聚合物（PIM-1）作为粘合剂，设计了一种“包裹-压缩”策略，直接将沸石粉末转化为坚固的“颗粒板”膜，以实现高效的氢气分离（图1）。
图1：通过“包覆-压缩”策略制备沸石“颗粒板”膜的示意图。
通过一系列实验和模拟阐明了沸石“颗粒板”的分级孔结构以及气体分离原理（图2）。（1）“颗粒板”膜由96%的FAU沸石构成，并且利用FAU沸石的可接近且有序的固有微孔结构进行选择性气体渗透。（2）通过FIB-SEM证实FAU@PIM-1“颗粒”之间的间隙（颗粒间大孔）为死端孔，这种独特的结构能够在不牺牲选择性的情况下为快速气体输送提供更高的自由体积分数。（3）具有粘合作用的PIM-1促进了颗粒之间的紧密结合，并避免了非选择性大孔的产生。
图2：“颗粒板”膜的多级孔结构和气体渗透示意图。
随后，我们系统的探讨了工艺参数对膜密度的影响及其对分离性能产生的影响（图3）。同时，该策略也成功拓展到其他沸石中，突出了该方法的普适性和在工业应用中的潜力。
图3：工艺参数对膜分离性能的影响。
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DOI: 10.1002/adfm.202415063