JACS：共軛微孔聚合物膜的孔道微環境調控實現超快溶劑滲透與分子篩分

有機溶劑是現代化工生產體系的關鍵組分，作為反應、分離、提純介質被廣泛應用于新能源電池制備、藥物合成與分離純化、食品加工以及石化工程等領域。傳統的精餾和萃取等分離工藝存在能耗高，操作繁瑣，分離效率較低等問題。膜分離技術以低能耗且易操作等優勢在化工分離中前景廣闊，有望推動化工行業綠色低碳轉型。然而，現有耐溶劑膜材料普遍存在分離性能、穩定性與規模化制備難以兼顧的挑戰。憑借剛性π共軛骨架和穩定共價鍵連接，共軛微孔聚合物（Conjugated Microporous Polymer, CMP）表現出優異的結構與化學穩定性，但其制備過程通常依賴貴金屬催化及苛刻反應條件，難以大規模生產。同時，現有方法對孔道化學環境的調控能力有限，常以犧牲孔道連通性或膜與溶劑間親和力為代價，制約了整體分離性能的提升。

針對以上科學與技術問題，中山大學薛銘教授/李意副教授課題組通過超酸催化的乙酰基環聚反應，實現了孔道結構與化學環境協同調控的微環境工程，最大程度的優化了溶劑傳質動力學。本研究構筑了可實現分級自由體積調控，且具有局部收縮的低表面能傳質通道的氟化CMP（F

- CMP）膜，所制備的膜突破了滲透性?選擇性之間的“trade-off”。此外，基于溶液可加工的方式，實現了CMP膜大面積制備。相關工作發表在J. Am. Chem. Soc.上。

圖1. F

- CMP復合膜的設計理念與表征

Fx-CMP復合膜的微環境工程

F

-CMP膜的微環境工程通過引入單官能度含氟乙酰基單體實現。該單體具有與多官能度單體相似的反應活性，可在聚合過程中接入體系并引發鏈終止，從而在聚合物網絡中引入可控缺陷。基于聚合物鏈發生動態重組，末端的氟取代基可相互靠近，誘導形成大量互連通道。為最小化苯環與氟取代苯環之間的空間位阻和靜電排斥，該結構單元采取高扭轉角的剛性非平面構型，這一構型是氟化基團能夠有效抑制鏈內緊密堆積、顯著增加自由體積的結構基礎。值得注意的是，鏈末端氟取代基間展現出增強的范德華力，引起鏈段的局部收縮，從而形成一種獨特的異質孔結構：寬大的空腔僅能通過狹窄的孔頸連接，構成“籠型”傳輸通道。此外，氟取代基的引入降低了膜表面能，增強了與非極性溶劑之間的親和力。綜上所述，通過結合低表面能的大空腔與局部收縮的狹窄孔頸，F

-CMP膜結構同時實現了溶劑的快速傳輸與溶質的選擇性篩分。

圖2. F

- CMP膜的結構與化學特性

Fx-CMP的傳質行為及穩定性

F

-CMP膜具有迄今報道的聚合物膜中最高的結構參數

值（0.025），并在相近截留分子量（MWCO）的聚合物膜中顯示出創紀錄的正己烷滲透率達到2272 L?m?2?h?1?bar?1?nm，充分體現了其在孔道結構與化學環境協同設計方面的顯著優勢。由于C-F鍵的化學惰性以及氟原子對芳香環親電性的削弱作用，F

-CMP膜在18 M H2SO4溶液中浸泡21天后仍能保持良好的選擇分離性能，其耐酸性超越所有已報道的耐酸分離膜。這種卓越的化學穩定性不僅拓展了CMP膜在極端環境下的工業應用前景，也為強腐蝕介質中實現快速溶劑回收、高選擇性分子篩分提供了嶄新的技術途徑。

圖3. F

- CMP膜的分離與有機溶劑傳輸行為

高價值藥物分離

研究顯示，F

- CMP膜對多種高附加值活性藥物成分均表現出超過99%的穩定截留率。其核心優勢在于長期溶劑接觸下無膜材料滲出現象，確保了制藥工藝的安全穩定運行。針對市場需求廣泛的L-α-卵磷脂與β-紫羅蘭酮藥物，進一步評估了大面積 F

- CMP膜的分離性能。值得一提的是，與商用BORSIG oNF-1膜相比，研究開發的 F

- CMP膜不僅將選擇性提升了45%，同時正己烷滲透率提高約5.3倍，從而將分離成本降低約87%，并大幅減少了相應的碳排放。相較于傳統蒸餾技術，基于 F

- CMP膜的分離工藝可降低90%的能耗。此外，該膜優異的機械穩定性允許通過提高操作壓力進一步優化能耗表現。以上研究結果表明， F

- CMP膜為高附加值藥物分子的高效、低能耗分離提供了一條極具市場競爭力的技術新路徑。

圖4. 采用F

- CMP膜分離非極性溶劑中的高價值藥物

本文制備的F

- CMP膜兼具高分離性能、卓越的穩定性和可拓展性，有望將有機溶劑納濾的應用范圍拓展至苛刻工業分離場景，如需要在強腐蝕性條件下維持超快、高選擇性傳質的石油化工烴類分離及氣體分離等領域。

上述研究成果近日發表在Journal of the American Chemical Society期刊上，論文通訊作者是中山大學化學工程與技術學院薛銘教授、李意副教授，第一作者為中山大學博士研究生徐子萌。研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省科學技術廳、珠海市科技計劃、中山大學基礎科研專項基金等項目的資助以及珠海市光電功能材料與膜技術重點實驗室的支持。

Microenvironment Engineering of Conjugated Microporous Polymer Membranes Enabling Ultrahigh Solvent Permeability and Molecular Sieving

Zi-Meng Xu, Zhen Chen, Xiao-Feng Zhong, Si-Yuan Yang, Yi-Le Chen, Yang Feng, Pan-Pan Zhang, Yi Li*, Ming Xue*, Xiao-Ming Chen

J. Am. Chem. Soc.

2026, DOI: 10.1021/jacs.5c19172

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