化石燃料燃烧释放的二氧化碳（CO2）在全球变暖中起着关键作用，这给环境带来了重大挑战[1]。因此，人们非常关注开发CO2捕获技术，以减轻与气候变化相关的潜在风险。由于成本效益和环境友好性，膜分离技术已成为一种有前景的解决方案[2], [3], [4], [5], [6], [7]。在这一领域的主要挑战之一是开发兼具高气体渗透性和选择性的先进膜。然而，气体分离膜中渗透性和选择性之间的固有权衡限制了其在广泛应用中的性能。为了克服这一限制，人们正在努力开发高性能膜，特别是MMMs[6], [8], [9], [10]。
聚合物材料因其成本效益、易于加工和足够的机械强度而被广泛用于商业气体分离膜[11], [12], [13], [14], [15]。在创新的聚合物材料中，“内在微孔性聚合物”（PIMs），尤其是PIM-1，因其出色的热机械性能、化学稳定性和高CO2渗透性而受到研究人员的广泛关注[16], [17]。由于其非晶结构和刚性的孔网络，PIM-1被视为最先进的MMMs[18], [19]。为了提高PIMs的分离性能，采用了多种策略，包括开发新的单体以增强PIM骨架的刚性、进行功能化处理以及掺入填料以形成纳米复合膜。将纳米填料加入PIM-1基质中特别有效地提高了渗透性和选择性[8]。因此，不同的多孔材料被引入PIM-1和其他聚合物中，用于制备MMMs。
金属有机框架（MOFs）是一种微孔材料，由于其可调的孔隙率、高表面积和出色的结构特性，成为气体分离膜的潜在候选材料。将PIM-1与兼容的MOFs结合是一种开发高性能MMMs的有前景的策略。需要注意的是，聚合物通常在MMMs中占主导地位，这可能导致较大的质量传递阻力，阻碍气体在MOF相中的有效流动[20], [21], [22]。Norman等人解释说，通过增加MOFs的负载量可以克服这一限制，从而形成连续的MOF填料渗透网络[23]。然而，高负载量往往会导致由于MOF和聚合物之间的不相容性而产生的不希望的聚集和非选择性的界面空隙。因此，克服MOF和聚合物相之间的相容性挑战对于提高膜性能至关重要[24], [25], [26]。
MOF凝胶由离散的晶体MOF颗粒组成的胶体网络构成，这些颗粒在液相中由于弱非共价作用（主要是范德华力）而聚集[27]。将MOF转化为MOF凝胶可以提高材料的柔韧性，并改善这种多组分系统的化学均匀性[28]。晶体生长和成核是MOFs结晶的两个主要阶段。当纳米颗粒的聚集速率超过晶体生长速率时，就会形成MOF凝胶[29]。形成MOF凝胶的关键在于调节纳米颗粒聚集和晶体生长之间的平衡。所得的MOF凝胶形成了一个随机连接的三维（3D）网络结构。MOF凝胶膜是一种新型膜，通过溶胶-凝胶工艺制备，具有出色的渗透性[30], [31]。然而，由于复杂性和低产率，大规模生产仍然具有挑战性。因此，使用MOF凝胶制备MMMs具有显著的实际优势，例如它能够在溶液中均匀分散并形成3D相互连接的凝胶网络结构。
在这项研究中，首次将MOF-74凝胶掺入PIM-1基质中，制备了用于CO2/N2分离的MMMs，称为PIM-1/MOF-74凝胶MMMs。MOF-74凝胶是通过高浓度反应（HCR）方法合成的，保持了与MOF-74相同的化学成分。与典型的杆状一维结构不同，MOF-74凝胶形成了一个随机连接的三维网络，这可能促进了聚合物内的连续气体传输路径。这可能是由于MOF-74凝胶表面的羟基可以与PIM-1的氟链末端形成化学交联（图1）[32]。为了展示掺入MOF-74凝胶的优势，比较了由MOF-74凝胶和MOF-74组成的MMMs在气体渗透性、化学性质和结构特性方面的表现。这项研究通过引入MOF-74凝胶的新应用，克服了膜材料中常见的权衡效应，并突显了其作为MMMs有效填料的潜力。
