具有精确分子筛分能力且可规模化制备的碳基多孔材料，是下一代可持续膜分离技术的理想材料。然而，受限于长程有序膜构筑以及分子尺度微结构精准调控困难，膜材料往往难以同时实现高选择性与高通量。针对上述挑战，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）赖志平教授团队成功构筑了一种高结晶度、英寸级共轭聚合物框架膜。该膜不仅实现了高精度分子筛分，同时展现超快溶剂渗透性能。更为重要的是，该膜在苛刻有机溶剂和高温下仍保持优异的机械稳定性、化学稳定性和热稳定性，能够适应复杂的工业级分离场景，例如高温条件下均相贵金属催化剂的回收与重复利用，以及复杂药物混合物的连续化多级分离，其分离效率较商业膜提升14–32倍。相关研究成果以“High-strength conjugated polymer framework membranes for ultrafast and precise separations”为题，于2025年12月22日发表在Nature Sustainability期刊上。

大多数商业化有机溶剂纳滤膜通常由传统聚合物制备，孔隙率低，孔径分布宽，这类膜在苛刻有机溶剂环境中稳定性不足，导致性能衰减甚至膜失效，并存在显著的渗透性-选择性权衡效应。碳基膜材料，由于其以C–C键为主的稳固骨架结构，在有机介质中展现出优异的结构稳定性和分子筛分能力，因此成为一种极具吸引力的替代材料。然而，目前自上而下的制备方法在孔径均匀和高孔密度的膜时面临重复性和可规模化制备的挑战。

相比之下，通过C–C偶联反应自下而上构筑碳基纳米多孔材料，在有机体系中实现精确分子筛分方面更具潜力。然而，在合成过程中实现长程有序结构和精确的微结构调控，尤其是面内纳米孔道的取向排列，仍然是一项重大挑战。为此，作者报道了一种在Cu(111)单晶基底上构筑高结晶度、英寸级共轭聚合物框架膜的方法。不同于以往报道的二维层状材料，该研究中的共轭聚合物框架膜是一种完全π-共轭的三维骨架结构，由三蝶烯和丁二炔键桥联而成（以下简称TPC-CPF）。这种独特的三维框架结构有效避免了层间堆叠和错位，并形成连续的高密度一维传质通道。

图1：TPC-CPF膜的构筑方法与膜形貌表征。

通过前驱体设计，利用经典炔烃偶联反应，以Cu(111)单晶铜为生长基底，研究组成功构筑了厚度可控（15–115 nm）的TPC-CPF薄膜，其横向尺寸可达英寸级。将该薄膜转移至多孔支撑体上，可制备成用于分子筛分的分离膜，且膜体表现出优异的柔性特征。

图2：膜的化学结构与孔道结构表征。

通过拉曼光谱、核磁共振以及X-射线光电子能谱等多种表征手段，不仅证明了前驱体的高效偶联，并且薄膜还具有较高的结晶度。这一结论进一步得到了X-射线衍射和广角X-射线散射结果的有力支持。此外，借助高分辨透射电子显微镜，直接观察到了孔径约为2 nm的高密度垂直纳米孔道，进一步印证了薄膜高度有序的微观结构特征。

图3：膜的机械性能测试。

C=C和C≡C键的高度刚性，结合丁二炔键与三蝶烯的独特偶联设计，使TPC–CPF结构不仅在面内拉伸和面外弯曲两种变形模式下具有优异的弹性响应能力，还赋予了其出色的整体力学性能。膜的杨氏模量可达26.4 GPa，断裂强度可达2.1 GPa，机械性能明显优于目前已报道的其他分离膜材料。

图4：膜的分离性能研究。

TPC-CPF膜在有机溶剂纳滤中同时展现出超高溶剂渗透性和精确的分子筛分性能，在相同截留分子量下，性能显著超越当前最先进的膜材料。此外，该膜在苛刻有机溶剂和高温环境下仍表现出卓越的稳定性，使其能够在长期工业化生产过程中实现均相贵金属催化剂超过99%的高效回收与重复利用。

图5：通过多级分离系统实现高附加值药物的高效富集。

TPC-CPF膜可实现孔径的可调控，从而支持复杂药物混合物的高效、连续分离，其分离效率相比商业膜提高14–32倍。上述结果结合其可规模化制备的潜力，使TPC-CPF膜在异构体及其他高附加值化合物的工业化分离中具有巨大应用潜力，有望支撑高能效化工生产过程并助力全球可持续发展目标的实现。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41893-025-01705-7