提升20倍!南京工业大学周荣飞Science子刊 | 活性凝胶助力沸石分子筛膜合成效率提升20倍!

微孔晶体材料（如沸石、金属有机框架和共价有机框架）的连续膜在催化、传感和分离等领域具有重要应用潜力。

然而，其实际应用仍面临一大挑战：如何在制备过程中最大限度地减少晶间边界缺陷，形成薄而连续的晶体层。传统合成策略通常采用惰性凝胶并借助预负载晶种进行二次生长，通过抑制凝胶本体结晶、促进载体表面成核来制备膜。但对于结晶速率慢的高硅沸石膜，即使采用二次生长，传统方法仍需要数天甚至更长的合成时间来修复缺陷，且难以在不使用晶种的情况下通过原位合成制备高质量膜。

此外，过长的合成时间可能导致晶体溶解和缺陷形成，反而降低膜性能。因此，开发一种快速、高质量且适用性广的微孔膜合成方法，是推动其工业化应用的关键。

图1 活性凝胶增强合成路线与传统合成路线用于制备沸石膜的示意图对比

南京工业大学周荣飞教授、美国纽约州立大学布法罗分校Miao Yu等研究人员报道了一种创新的“活性凝胶增强合成”路线，用于快速制备具有优异分子筛分性能的高硅沸石膜。

该方法通过使用富含有机结构导向剂并经过长时间老化的活性凝胶，形成大量超饱和的沸石晶核。这些晶核能快速、均匀地沉积在载体表面（无论是否预负载晶种），随后在提升的合成温度下快速结晶，从而在数小时内形成连续、致密且缺陷极少的薄膜。与传统方法需要数天相比，合成时间缩短了约20倍。

利用此策略成功制备的CHA和DDR型沸石膜，在CO₂/CH₄和CO₂/N₂分离中展现出破纪录的性能：CO₂渗透速率高达约3.0×10⁻⁶ mol/(m²·s·Pa)，CO₂/CH₄选择性超过1100，分离性能指数比已报道的膜提高了一个数量级。该方法具有通用性和可扩展性，为高性能微孔膜的广泛应用开辟了新途径。

图2 AGS路线在具有复杂结构的七通道整体式载体上的可扩展制备及其分离性能

该项研究提出的AGS合成路线基于全新的“利用超饱和晶核促进膜快速形成”机制，彻底改变了传统依赖于“抑制凝胶结晶以凸显载体表面生长优势”的策略。该路线利用活性凝胶中均匀且丰富的营养/晶核，使其能快速、均质地沉积在各种形态的载体上，从而将高质量高硅沸石膜的合成时间从数天缩短至数小时，且无需依赖完美的晶种层。

所制备的AGS膜展现出创纪录的气体分离性能，其CO₂/CH₄选择性（>1100）和分离性能指数均比已有报道提高一个数量级。在等摩尔CO₂/CH₄混合气分离中，渗透侧CO₂浓度超过99.7%，表明单级膜过程即可实现极低的甲烷损失，这对膜法气体分离的工业应用具有重要意义。

此外，膜在潮湿条件下表现出优异的稳定性。总之，AGS路线为高效合成高性能晶体微孔膜提供了一种通用策略，通过从根本上减少晶界缺陷，显著提升了合成效率与膜性能，有望突破沸石膜技术工业化应用的主要瓶颈。

Haolin Wu et al., Facile active gel–enhanced synthesis of molecular-sieving membranes with record-breaking performance. Sci. Adv.12, eadz9934(2026). DOI:10.1126/sciadv.adz9934 

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