針對制備二氧化硅膜通常需要高溫條件這一難題，美國紐約州立大學(xué)布法羅分校林海青教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種在室溫下低成本快速制備二氧化硅超薄膜的新方法，該法兼具高分子膜的優(yōu)異可加工性和納米孔二氧化硅膜的高選擇性，在150-200 °C具有優(yōu)異的H₂/CO₂分離性能，有望大幅降低藍(lán)氫生產(chǎn)成本。如圖一所示，先利用相轉(zhuǎn)化法制備耐高溫的聚苯并咪唑（PBI）多孔支撐膜，然后在PBI支撐膜表面涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）層，最后通過簡單的氧等離子體室溫處理2分鐘，PDMS表面會形成一層超薄的二氧化硅膜（~3 nm），從而制得具有超薄二氧化硅選擇層的復(fù)合膜（POSi膜）。二氧化硅選擇層的厚度和POSi膜的H₂/CO₂分離性能可以通過控制氧等離子體處理時間調(diào)節(jié)，而且POSi膜具有優(yōu)異的耐高溫性能、水熱穩(wěn)定性以及耐老化性（圖二）。在200 °C下，制備的二氧化硅超薄膜的H₂通量高達(dá)280–930 GPU并具有很好的H₂/CO₂選擇性(95–32)，性能可媲美高溫?zé)Y(jié)制備的納米孔二氧化硅膜、并超過了Robeson上限和目前最先進(jìn)的商用膜（圖三）。這種二氧化硅膜制備方法在室溫下快速進(jìn)行(2分鐘)，且使用的是廉價(jià)易加工的高分子聚苯并咪唑做多孔支撐膜，解決了制備二氧化硅膜需要高溫條件這一難題，可顯著地降低生產(chǎn)成本。而且該制備過程可以套用現(xiàn)有的工業(yè)化制備高分子膜的設(shè)備，利于放大生產(chǎn)。

圖一：a, b) POSi膜制備過程示意圖，包括(1) 相轉(zhuǎn)化法制備PBI多孔支撐膜，(2) PBI支撐膜表面涂覆PDMS層，(3) 氧等離子體處理PDMS表面形成二氧化硅選擇層；c) POSi膜橫截面SEM圖；d) POSi膜表面AFM圖及粗糙度。

圖二：POSi膜的H₂/CO₂分離性能。a) 氧等離子體處理時間對分離性能影響；b) POSi120膜（氧等離子體處理時間為120s）的純氣通量和氣體/氮?dú)膺x擇性；c) 溫度對POSi120膜的分離性能的影響；d) POSi120膜的水熱穩(wěn)定性；e) POSi120膜的耐老化性能。

圖三：POSi120膜分離性能與a,b) 高分子膜和混合基質(zhì)膜，以及 d)無機(jī)膜的比較；c) POSi120膜的H₂/N₂和He/N₂分離性能與2008 Upper bound比較。

以上成果發(fā)表于ACS Nano (Scalable Polymeric Few-Nanometer Organosilica Membranes with Hydrothermal Stability for Selective Hydrogen Separation. ACS Nano 2021, 15, 12119)上，文章的共同第一作者是朱凌翔博士和黃亮博士，通訊作者是美國紐約州立大學(xué)布法羅分校林海青教授 (http://cbe.buffalo.edu/lin)。該成果已經(jīng)申請了PCT國際專利（62/962,809）。

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https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c03492