GSIC会后报告总结⑧ | 暨南大学李万斌：从精准调孔到千平方厘米放大，微孔膜如何兼顾性能与制造

膜分离依靠压力差等驱动力完成气体分离，具有流程短、能耗低、设备紧凑等优势。但对于尺寸和物化性质相近的气体分子，传统聚合物膜往往面临渗透性与选择性相互制约的问题：让气体通过得更快，筛分精度容易下降；把孔道收紧，通量又会受到限制。

MOF、沸石和微孔聚合物等材料具有可调微孔结构，为突破这一性能上限提供了新的可能。不过，高性能微孔膜从实验室走向应用仍有三道难题：孔道尺寸要精确到埃尺度，晶界和膜层界面不能形成非选择性缺陷，制备面积还要从几平方厘米扩大到成百上千平方厘米，同时保持超薄、均匀和可弯折。

在2026（第五届）中国国际气体分离产业大会上，暨南大学李万斌教授带来了《气体分离微孔膜制备及孔道调控》的报告。报告围绕介孔氧化石墨烯纳米片、超薄低晶度MOF复合膜、MOF玻璃膜以及大面积室温界面结晶，介绍了团队在缩短传质路径、精确调节孔道、消除膜层缺陷和规模化制备方面的系列进展。

01 在氧化石墨烯面内“打孔”，把曲折传质路径缩短20倍

二维氧化石墨烯纳米片层层堆叠后，可以形成尺寸可调的层间通道，但气体或液体分子通常需要沿着片层间隙曲折前进，传输路径长、阻力大。直接把膜做薄虽然可以提升通量，却更容易出现针孔和结构不连续。

针对这一问题，团队采用纳米线电化学穿孔策略，在氧化石墨烯片层面内构筑介孔，同时调节材料的氧化程度与表面化学性质。随着施加电压和氧化强度变化，片层经历羟基化、环氧化、羰基化和羧基化，随后发生碳—碳键断裂和脱羧，最终形成可供分子穿过的面内孔道。

来源：GSIC2026可公开报告

PGO-6纳米片面内孔尺寸约35 nm、孔密度达到4.0×10¹⁴ m⁻²，使传输路径缩短约20倍；进一步提高氧化程度，面内孔尺寸可达到约85 nm。这些孔本身并不直接承担气体分子筛分，而是作为快速传质窗口，为后续在纳米片间构筑真正具有分子筛分能力的MOF功能层提供低阻力通道。

由此，氧化石墨烯从单纯的层状分离材料转变为可限域、可成核、可快速输运的二维支撑平台。

02 用纳米限域构筑40 nm低晶度膜，实现高通量H₂/CO₂分离

传统MOF膜通常依靠晶体在载体表面生长并拼接成连续膜层。晶体尺寸增大有利于形成规则孔道，却也可能在晶界和膜层界面留下缺陷；为了覆盖缺陷而增加膜厚，又会拉长气体传输路径。

团队利用介孔氧化石墨烯（MGO）作为二维限域空间和成核界面，在片层之间原位构筑低晶度MOF（LCM），形成MGO/LCM超薄复合膜。MGO中的含氧基团与Zr节点结合，既固定片层间距，也限制反应区域、抑制配体扩散并挤压晶体生长过程，使材料保持连续膜形态，同时形成大量配体缺失的晶格缺陷。

来源：GSIC2026可公开报告

所得MGO/LCM膜厚度约40 nm。低晶度结构减少了传统多晶膜中的晶界缺陷，超薄膜层和MGO介孔降低传质阻力，适度的晶格缺陷又能够抑制CO₂扩散。该膜H₂渗透通量最高达到4000 GPU，H₂/CO₂选择性超过100，并具有耐湿、耐温特性。

在另一类MGO/ZIF复合膜中，团队进一步利用咪唑环与芳香环之间的π—π共轭作用锁定配体旋转，将传输窗口收缩至2.8 Å。MGO提供成核位点并约束生长区域，其介孔与针孔用于降低阻力，ZIF层则修复非选择性间隙，从而实现对膜孔道的精细调控。

来源：GSIC2026可公开报告

03 把MOF变成玻璃，消除晶界并赋予气体选择性

多晶MOF膜的晶界是影响分离性能和重复性的关键因素。团队提出混合配体—凝胶热处理路线，通过调节金属—配体键的强度与角度，破坏MOF的长程有序排列，促进玻璃相形成，同时保留短程有序的微孔结构。

表征结果显示，所得复合膜由少量MOF晶体与MOF玻璃基质共同构成。材料具有短程有序、长程无序的玻璃态特征，纳米压痕测试得到的杨氏模量为17.5 GPa，表现出较好的结构刚性。混合配体不仅改变玻璃形成能力，也赋予膜对特定气体的优先吸附能力；超微孔玻璃基质则能够填补晶粒之间的非选择性通道。

来源：GSIC2026可公开报告

该MOF玻璃复合膜用于CH₄/N₂和O₂/N₂分离时，选择性分别达到9.3和9.6。团队还将溶胶—凝胶、气相沉积与熔融淬火结合，制备厚度仅约100 nm的超薄玻璃膜，其CH₄/N₂选择性达到6.73。

04 室温快速制备1092 cm²超薄膜，推动微孔膜从样片走向放大

高性能膜若只能在小尺寸载体上制备，很难跨越工程应用所需的面积与一致性门槛。为此，团队提出“通道末端封装”策略，通过室温界面结晶快速构筑超薄、共连续、可弯折的MOF膜。

来源：GSIC2026可公开报告

在该过程中，水相与有机相在基底表面形成界面，水—基底相互作用使反应区域被限制在通道末端。通过控制金属节点与配体比例，避免层状碱式硝酸锌优先生成或配位络合物干扰有序生长，最终形成厚度约20 nm的连续功能层。

报告展示的ZIF膜面积达到1092 cm²，膜层保持均一和超薄，H₂渗透通量达到10600—10900 GPU，H₂/CO₂选择性为44.3—45.5；在150℃下，H₂渗透通量达到13900 GPU，H₂/CO₂选择性为40.6，并表现出长期热稳定性。

来源：GSIC2026可公开报告

与传统制备路线相比，该策略的制备速度提高1-3个数量级，溶液消耗降低1个数量级，膜厚减小1-3个数量级，制备面积扩大1-3个数量级。膜在曲率达到200 m⁻¹的正反向弯折后，渗透性和选择性保持不变。

团队还发展了功能层界面诱导结晶路线，可在室温、无有机溶剂条件下制备数百平方厘米MOF膜，并可向中空纤维膜形态拓展。它所解决的不只是“把膜做大”，而是把室温合成、材料利用率、膜层厚度、柔韧性和良品率放在同一套制造方法中考虑。

来源：GSIC2026可公开报告

嘉宾简介

李万斌，暨南大学教授，博士生导师。在省杰出青年基金、省青年拔尖人才、国家自然科学基金、省区域联合重点等项目支持下，从事分离膜的制备设计和传质调控研究，探索其在气体分离、碳捕集、水处理、人工肺等化工、环境、生物医学工程等领域的应用前景。发表学术论文90余篇，以第一/通讯作者发表论文70余篇，部分发表在Nature Water、Science Advances、Nature Communications、Angewandte Chemie、AIChE Journal、Journal of Membrane Science等期刊，受邀在Accounts of Chemical Research等期刊撰写综述。连续多年入选全球顶尖科学家终身榜。