近年来，全球碳排放迅速增加，大气中的二氧化碳含量达到创纪录水平，环境问题日益凸显。在此严峻形势下，我国提出碳达峰、碳中和的气候目标。高效的碳捕获技术是减少碳排放和二氧化碳进一步催化转化的前提和基础，是实现“双碳”目标的关键技术。

气体膜分离技术因其低成本且易操作的优势对碳捕集产业发展、缓解全球气候变化具有重要意义。其中，通过金属有机框架和聚合物基质的结合获得的混合基质膜在气体分离方面表现出极大潜力，但聚合物和金属有机框架之间如何实现理想匹配始终是具有挑战性的课题，特别是针对新兴的高渗透性膜材料，如自具微孔聚合物。

碳捕获是下一个万亿行业？

从时装零售巨头H&M，到美国资产最大的银行摩根大通，欧美大企业都在加码押注碳捕捉市场。

包括H&M、摩根大通、Autodesk和Workday在内的四家公司上月达成一致，到2030年，向支付处理公司Stipe旗下的基金项目Frontier合计投入1亿美元，用于向Frontier选出的初创公司购买一定的减碳量，那些初创公司将有能力研发推进他们的多种技术，消除大气中的二氧化碳，并知道他们的产品一就位，就有买家排队购买。

摩根大通等四家公司的加入意味着，在去年4月Stripe、谷歌母公司Alphabet、Meta、麦肯锡和Shopify共同推出的Frontier累计投入9.25亿美元后，Frontier一年来吸引了超过10亿美元承诺资金。

上周，包括瑞银、瑞士再保险在内的五家公司宣布，通过日本三菱商事株式会社与瑞士碳项目开发商South Pole联合成立的NextGen，到2025年，购买多个项目的合计100万减碳积分，为它们提供收入源，帮助降低碳去除技术的成本。

NextGen称，首批将购买三个项目的将近20万碳去除积分，目标均价是每积分200美元，这三个项目包括，西方石油旗下公司Oxy Low Carbon Ventures开发、在美国得州设立的直接空气碳捕获（DAC）工厂1PointFive、Carbo Culture在芬兰的生物炭项目，以及Summit Carbon Solution在美国的微生物碳捕获与存储项目。

去年3月，西方石油下属的1PointFive已经和空客达成减碳积分出售的协议，空客购买的积分将持续四年、每年从大气中捕获并永久封存碳10万吨，未来可选择捕获更多碳。

同在上月，私募股权公司Partners Group宣布签署为期十三年的协议，将购买初创公司Climework旗下DAC工厂的7000公吨碳积分，Climework将大气中这7000吨的二氧化碳永久存入地下。

剑桥Judge商学院的科技政策教授David Reiner评论称，虽然之前曾出现过碳捕捉的“炒作周期”，但现在无论是欧美的企业还是政府，都持有更严肃认真的目的。

拜登政府的降低通胀法案提出，对从化石燃料工厂等污染源捕获及存储的碳，每吨可获得85美元的税收抵免。国际能源署（IEA）估算，大型DAC工程的成本在125到335美元/吨。石油行业的碳捕获及存储（CCS）专家认为，85美元/吨的抵免缩小了上述碳捕获同更简单的碳捕获项目投资间的差距。

不过，剑桥的Reiner教授指出，DAC还处于发展初期，是一项成本高岸、能源密集型的技术，因此，有理由对商业可行性持怀疑态度。

媒体指出，不少气象专家认为，碳积分并不是解决全球变暖的长期解决方案。还有批评人士认为，碳捕获的行业案例让石油和天然气生产商能继续利用化石燃料获取能源，而不是改用可再生能源。很多正在运营的碳捕获被用在提高石油采收率的流程，这个流程本身就有争议，它将碳送入地下，以便获得可能比其他方式产量更多的化石燃料。

膜法气体碳捕集极具潜力

目前的碳捕集技术在捕集效率、能耗、成本等方面均存在一系列问题。比如，化学吸收法存在高能耗的缺点，生物固定法存在稳定性不足等劣势。

因此，要想实现碳捕集技术的规模化应用，需要进一步研究和开发高效、稳定、低成本的碳捕集技术。

膜法气体碳捕集是目前极具有潜力的一种碳捕集技术，其主要优势有以下几点：

其一，低能耗。与传统的化学吸收法相比，膜法碳捕集不需要额外的化学反应，因此能耗更低。同时，其在循环过程中也不需要额外的能量输入。

其二，小型化。膜法碳捕集的设备能被设计得非常小型化，因此可以方便地集成在不同工业过程中。这使得膜法碳捕集可以更加灵活地用于不同的工业场景。

其三，操作简单。膜法碳捕集的操作步骤和所需设备都比较简单，这能降低了技术实现的难度和成本。

其四，高效性。由于膜法碳捕集过程不涉及化学反应，因此其捕集效率较高。同时，膜法碳捕集还能通过更换不同的膜材料，来实现更高的选择性，从而捕集纯度更高的二氧化碳。

其五，可持续性。膜法碳捕集不需要任何化学剂或者溶剂，全程无污染、符合环保要求。同时，由于其设备比较小，制造和运输中所产生的碳排放量也比较少。

据介绍，膜法碳捕集的核心在于气体分离膜材料，其占据着大部分的生产成本。而高效型分离膜能有效减少分离过程的能耗，从而提高分离效率。

目前，常用的气体分离膜材料是聚合物类的分离膜。但是，单一聚合物材料的分离性能，在气体渗透性和选择性的此消彼长之间，它不得不面对 trade-off 效应。

基于多酚的分子焊接新策略

值得庆幸的是，哈尔滨工业大学邵路教授团队朱斌博士提出一种基于多酚的分子焊接策略，通过结合聚合物和金属有机骨架化合物（MOF，Metal Organic Frameworks）这两种材料的优势，巧妙采用多酚粘合性这一特点，实现了渗透性和选择性的同时提高，成功克服了 trade-off 的现象。

对于 CO2/N2 以及 CO2/CH4 体系，其具备明显的分离优势。其应用场景集中在烟道气分离和能源气净化中，具体有望用于燃煤电厂、石灰窑、天然气开采中的废气处理和净化。

日前，相关论文以《通过多面多酚介导的焊接促进膜碳捕获》（Boosting Membrane Carbon Capture via Multifaceted Polyphenol-mediated Soldering）为题发在 Nature Communications 上 ，朱斌是第一作者，哈工大邵路教授担任通讯作者。

研究中，朱斌使用了自聚微孔材料 PIM-1 这种高分子材料，原因在于它的高比表面积，让其具有较高的气体渗透性。

然后，他选用三种不同的 MOF 材料，它们分别具有不同的尺寸大小、孔道结构、化学性质。在这几种不同的 MOF 材料中，课题组又分别设计出不同的制备方法。

在收集数据时，该团队统一采用“相转化法”来制膜，然后利用气体渗透装置来记录关于气体渗透性的数据，分析得到了溶解和扩散过程的参数。

在对数据进行分析之后，他们研究了气体渗透系数和选择性、选择最优体系、深入剖析高分子链段、两相界面以及 MOF 材料结构，借此得到了结构与功能之间的构效关系。

之所以采用多酚分子，是因为多酚能起到如下作用：

首先，多酚水解呈酸性，可以作为刻蚀剂处理 ZIF-8 得到低传质阻力的中空结构；

其次，多酚表面的酚羟基能够和 ZIF-8 表面的金属位点配位，从而改变 ZIF-8 表面的化学性质，进而和有机聚合物基质产生更好的相容性。

而这种特殊黏附性是由其化学结构导致的，主要原因有三点：

其一，氢键作用。酚羟基中的氢原子可以形成氢键，从而与其他分子中的氧或氮原子产生相互作用。这种作用可以使分子之间形成较强的吸引力和增强粘附力；

其二，π-π 作用。苯环上的 π 电子云可以与其他分子上的 π 电子云相互作用。这种作用可以使分子之间形成较强的吸引力和增强粘附力；

其三，反应作用。酚羟基活性要优于醇羟基化合物，故能形成配位键或共价键、以及增强粘附力。而其他的多羟基化合物不能提供酸性的刻蚀环境，也不能实现 ZIF-8 的表面改性，所以无法替代多酚。

另据悉，混合基质膜其实就是聚合物和填料的结合。聚合物材料的分离机理是一种溶解扩散机制。

多孔填料，可以根据孔径的大小实现分离。所以在合适的孔径条件下，其能实现优异的分离性能。

对于混合基质膜来说，它的设计出发点在于：结合聚合物易加工和多孔填料高的分离性能，实现溶解扩散和筛分基质的共同作用，进而提高膜的分离性能。

在二者的匹配中，要考虑到多个因素：

首先，由于聚合物和 MOF 的化学性质不同，二者不能很好地相容，因此容易导致界面处出现非选择性的空洞以及选择性的丧失，并且无法发挥填料的优势；

其次，随着聚合物结构的发展，很多聚合材料本身的渗透系数已经得到明显改善。在引入一些筛分的 MOF 填料之后，虽然气体的选择性有所改善，但却导致传质阻力增加，进而影响气体的渗透系数。

因此，聚合物和 MOF 的匹配是一个双向选择的过程：既有化学性质上的匹配，又有孔道结构上的物理性质匹配。

理论上，的确可以通过多酚分子的排布实现结构的调控，他们在纳滤膜的研究中就采用了不同的金属离子和多酚的配位，借此调控了膜的孔道结构和化学微环境。并且，目前他们正在研究多酚金属网络对于气体分子在膜内传递的影响。

那么，该策略能否用于其他气体监测和捕获，比如用于煤矿中进行瓦斯监测和捕获？他回答说：“可以的，瓦斯的主要成分是甲烷，可以通过膜技术对甲烷进行富集会使得检测更为容易，并且膜技术和检测设备的联用是很有发展前景的，很多课题组也都在开展研究。”

朱斌继续说道：“我们课题组在多酚化学领域有很深的研究基础，尤其在液体分离膜方面已经完成了很多优秀的工作，但是气体分子对缺陷和孔道更为敏感，我们下一步的工作目标就是实现对多酚复合结构亚纳米级的精准设计，使其更好的服务在气体分离领域。”