本研究采用简便的一锅原位合成法制备了掺入ZIF-8的薄层纳米复合膜(TFN)，实现了ZIF-8纳米颗粒在壳聚糖-没食子酸(CS-GA)选择层中的均匀分散。结构与形貌表征证实，ZIF-8有效嵌入聚合物基体并保持热稳定性。气体分离性能测试显示，随着ZIF-8含量(5~15 wt%)及操作压力(2~10 bar)变化，与纯CS-GA膜相比，ZIF-8的引入显著提升了CO2渗透性且不降低选择性。其中，负载10 wt% ZIF-8的膜在35°C、10 bar条件下实现了最佳渗透性与选择性平衡，CO2渗透率提升25%（从487.2增至647.1 GPU）。此时CH4和N2渗透率分别为30.8和24.5 GPU，体现出良好的分子筛分效应。CO2/CH4选择性由17.5提升至21.0（提高16.5%），CO2/N2选择性提升近10%，由23.8增至26.4。该提升归因于ZIF-8骨架对CO2的特异性吸附作用及其多孔结构提供的优先传输通道，共同促进CO2相对于CH4和N2的高效传递。
研究背景方面，气态二氧化碳(CO2)排放是全球变暖和气候变化的重要驱动因素，同时天然气及工业废气中CO2的去除在经济层面同样关键。例如，天然气中CO2含量达10 mol%时，甲烷热值可降低约9.8%。传统膜分离技术因能耗低、操作简单、效率高和环境友好而备受关注，但聚合物膜受限于溶解-扩散机制，存在渗透性与选择性之间的权衡问题。混合基质膜(MMM)虽有所改进，但填料易聚集于支撑层而非致密选择层，限制了性能提升。为此，薄层纳米复合膜(TFN)通过将功能填料精准定位在选择性层中，成为突破传统局限的新兴结构。金属有机骨架(MOF)因其高比表面积和可调孔径，被广泛应用于CO2分离领域。然而，填料分散性、界面相容性及生物基选择层设计仍有待优化。本研究针对上述问题，构建了以聚砜(PSF)为支撑层、CS-GA为选择层并掺入ZIF-8的TFN膜，旨在实现高渗透性与高选择性的协同提升。
关键技术方法方面，研究人员采用溶液浇铸法在PSF支撑层表面制备CS-GA选择层，并通过原位分散引入不同质量分数(5、10、15 wt%)的ZIF-8纳米颗粒。采用氮气吸附-脱附、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和热重分析(TGA)对材料与膜结构进行表征。气体渗透性能在恒定体积-变压系统中测定，分别评估纯气和混合气条件下的CO2、CH4和N2渗透率和理想选择性，并在35°C和不同压力下测试长期稳定性。
研究结果方面，ZIF-8表征显示其呈菱形十二面体形貌，粒径200~500 nm，BET比表面积1657.9 m2·g-1，微孔孔径约1.66 nm，具有典型微孔特征。膜结构与功能评价中，FTIR和XRD结果证实CS-GA与ZIF-8的化学结合及晶体相的存在；FESEM显示选择层致密无缺陷，ZIF-8分布均匀，无明显团聚；TGA表明膜的耐热性在引入ZIF-8后基本维持。气体渗透测试表明，10 wt% ZIF-8膜在6 bar下的CO2渗透率最高，CO2/CH4和CO2/N2选择性分别达19.73和24.86。压力升高至10 bar时，CO2渗透率增至647.1 GPU，选择性进一步提升，且未出现塑化现象。混合气测试中，由于竞争吸附与轻微塑化，性能略有下降，但仍优于纯CS-GA膜。长期稳定性测试显示，最优膜在10天内性能仅有小幅衰减，表现出良好结构稳定性。
讨论与结论部分，研究人员认为ZIF-8的引入提供了额外的CO2吸附位点与微孔传输通道，并与CS-GA形成强界面相互作用，从而在提升渗透性的同时保持选择性。过量填料(15 wt%)会导致局部聚集，降低选择性。压力升高有利于CO2传输，而ZIF-8的刚性骨架抑制了聚合物链运动，延缓塑化。混合气条件下竞争吸附导致性能略降，但整体仍优于未改性膜。Robeson上限图分析显示，该膜性能超越2008年上限，并接近2019年上限，体现了其在CO2捕集和天然气提氦领域的应用潜力。该研究发表于《Sustainable Chemistry for Climate Action》，为高性能TFN膜的设计提供了可借鉴的材料组合与制备策略。
