气体分离在工业领域存在广泛的应用。不管是从空气中分离氮氧，在石油裂解混合气中分离氢、一氧化碳，还是从合成氨尾气中回收氢，在水泥电力行业进行尾气收集、固碳处理，不能离开气体分离。
近日发表于《科学》的一项研究介绍了一种新型梯形聚合物。研究人员通过分子结构调控使聚合物在“老化”过程中增强了气体选择性，同时保持高渗透性能（通过效率）。该技术为选择性控制膜聚合物分子设计提供了新的可能。
气体分离膜是近年来快速地发展的一项技术。不同的高分子膜对不一样的种类气体分子的透过率和选择性不同，因此能从气体混合物中选择分离某种气体。
然而，受分离膜渗透性和选择性等因素限制，传统膜分离法效果并不理想。工业上成规模的气体分离多采用化学分离，但过程复杂且耗能较高。有数据表明，目前化学分离能源消耗约占世界能源消耗的近15%。
迄今为止，设计高效、大规模分离气体的分离膜一直是一项挑战。为了突破这些限制，美国麻省理工学院、斯坦福大学和英国曼彻斯特大学的研究人员开发了一种梯形聚合物，可实现高选择性和渗透性。
“该研究的亮点是通过分子设计，造成分离薄膜老化程度不同，从而表现出更优异的气体选择性和通过性。”斯坦福大学化学系副教授夏岩对《中国科学报》说。
这种梯形聚合物具有刚性扭曲带状大分子链结构，其分子很难紧密排列，由此产生很小的孔。部分气体能通过这一些小孔，而另一些则不能通过，以此实现气体分离。这些聚合物的分子通常“非平衡排列”，跟着时间的推移，其分子排列会慢慢的变紧密，从而造成分离膜老化。
“通常老化过程会导致分离膜过滤能力变弱明显，但选择性并不会因此提升。”夏岩说，“这种新型分离膜在老化以后，分离性能会更好。”
目前，该团队只是发现这样一种材料的奇特现象，但为什么某些梯形结构会出现这样的过滤特性，研究人员“还没弄明白”。
“这其实是个意外的发现。”夏岩说，“一方面是由于我们近10年一直研究梯形高分子结构对其性质的影响；另一方面，发现这一现象也有运气的成分。”
8年前，夏岩团队获得一小笔经费，用来开发梯形高分子的合成方法。当项目结束后，该团队一直在摸索梯形聚合物分子结构对性质的影响。
“这项研究属于高分子化学前沿研究和工程科学的交叉领域。”夏岩说，“在美国，这类交叉研究其实很难争取到经费支持，工业界更青睐马上能看到成效的研究。”
尽管如此，该团队从未停止研究分子结构、分子排列方式与孔径大小和分布之间的关系。直到有一天，研究人员把最初类似2D形状的梯形聚合物变成了3D形状，结果“发现它的性能一下子提升了很多”。
“这种新型分离膜可以高效、高选择性地分离多种气体，可大范围的使用在气体分离提纯、尾气收集等领域。”夏岩介绍说。
比如，它可在水泥、钢铁制造行业，对排放的二氧化碳进行收集固碳；或者分离二氧化碳和甲烷，进行天然气提纯；或进行氮氧分离，以及氢气制备和提纯。
“传统化学分离气体是个极其耗能又破坏环境的过程。”夏岩说，“与之相比，膜分离就是一个过滤过程，相对节省能耗、对环境无害、简单易操作。我们和合作者模拟了不同条件下，二氧化碳和甲烷按不同比例混合起来进行分离，发现这样一种材料是目前性能最好、分离效率最高的高分子材料。”
“下一阶段的研究目标是优化和控制这类聚合物在薄膜中的性能，并将研究扩展到更复杂、与商业相关的气体分离。”论文作者之一、曼彻斯特大学教授Peter Budd说。
“工业化应用要求至少制备出几十公斤级别的材料，目前我们还没有这样的能力。”夏岩说，“下一步我们会针对大量制备和材料长期稳定性进行研究，也希望能和产业界合作，将该技术投入应用。”
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