2026年10月7日，天津大学化工学院姜忠义教授、何光伟教授团队的最新研究成果以“All-organic mixed-matrix membranes with single-crystal covalent organic frameworks for carbon capture”为题，在线发表于国际学术期刊《Nature Energy》。该研究提出“弱界面作用镶嵌”策略，研制出新型全有机混合基质膜，为突破膜分离性能与加工性之间的博弈效应提供了新思路，也为工业烟气低能耗、低成本碳捕集开辟了新路径。

天津大学化工学院博士毕业生马翰泽和博士研究生郭石麟为论文共同第一作者，姜忠义教授和何光伟教授为共同通讯作者。合作单位包括瑞士洛桑联邦理工学院、南加利福尼亚大学、宁波大学和天津工业大学。这是该团队继“有机分子筛膜”和“新三传”相关成果之后，在膜分离与物质传输领域取得的又一重要进展。

膜分离技术与“弱界面作用镶嵌”策略

膜分离技术具有绿色、低碳、节能等优势，是实现高效碳捕集、助力“双碳”目标的重要技术。膜材料是膜分离技术的“芯片”。面对工业烟气流量大、二氧化碳浓度低的特点，理想的碳捕集膜既要让二氧化碳快速通过，又要有效截留其他气体，还需具备长期运行稳定性和规模化加工能力。如何兼顾这些要求，是碳捕集膜材料研究的前沿与挑战。

混合基质膜将聚合物的良好加工性与多孔填料的高效传输能力相结合，是极具产业化潜力的下一代分离膜。然而，当前以聚合物和无机多孔填料为主的复合体系，长期受界面缺陷、填料沉降等难题困扰，在高填充条件下尤为突出，分离性能常被聚合物制约。如何在保持良好界面结构和填料均匀分散的同时，构筑由填料主导的快速传质通道，已成为混合基质膜的重要发展方向。

针对上述难题，团队提出了反直觉的“弱界面作用镶嵌”策略，将具有规整有序孔道的单晶共价有机框架（COF）与聚合物复合，构筑全有机混合基质膜。通过设计低表面能填料，并协调“填料—聚合物”与“填料—填料”两类相互作用，在维持足够界面结合能的同时抑制填料聚集，实现了高填充量单晶COF的均匀镶嵌，使单晶COF在结构上“高保真”、在性能上“当主角”。在充分保留膜材料柔性与溶液加工性的同时，构建起二氧化碳快速传输通道。

↑ 单晶共价有机框架全有机混合基质膜制备示意图

实验结果表明，基于该策略构筑的全有机混合基质膜，填料填充量可达75.5%。在模拟烟气混合气测试中，混合基质膜实现了二氧化碳渗透率数量级上的提升，达到模型预测纯COF膜理论值的约70%。膜材料还展现出良好的长期稳定性，并在含水分、硫氧化物和氮氧化物的测试条件下保持稳定性能。经初步技术经济分析，在设定流程与成本条件下，碳捕集成本约为38美元/吨CO₂，显示出降低捕集成本的潜力。

↑ 膜片形貌和微观结构示意图

↑ 碳捕集性能

长期积累与青年成长

这一成果的取得，源于姜忠义教授课题组“格局、智慧、行动”的科研理念以及在膜领域近三十年的研究基础与积累。团队围绕膜材料设计与物质传输开展系统研究，在国际上率先建立“仿生与生物启发膜”“有机分子筛膜”两大特色方向，为本研究工作奠定了坚实的理论与方法基础。团队研究成果曾获中国化工学会基础研究成果奖一等奖、天津市自然科学奖一等奖等多项奖励，并获中国石油和化学工业联合会创新团队奖。课题组培养了一批又一批优秀青年科研人才，推动研究工作可持续、高质量发展，不断取得新突破。

2011年，何光伟进入化工学院，在姜忠义教授指导下攻读研究生。在校期间，他主攻氧化石墨烯混合基质离子膜课题，相关成果发表于AM、AFM等期刊，奠定了扎实的学术基础。2016年至2021年，他先后赴瑞士洛桑联邦理工学院、美国麻省理工学院从事为期五年的博士后研究。从姜忠义教授课题组到两所国际顶尖学府，三段知名课题组的训练在根本上塑造了他的科研能力，进一步拓宽了他的学术视野，提升了科研素质。2021年9月回国后，他将国际顶尖学府的科研范式与理念带回国内，与姜忠义教授共同指导气体分离方向研究，聚焦COF气体分离膜，着力破解大孔COF筛分小分子这一难题。

持续探索中，团队逐渐转变思路：能否跳出制备纯COF膜的框架，通过复合材料设计发挥COF固有优势？围绕这一思路，马翰泽、郭石麟和苏鹏等几位研究生组成攻关小组，历经三年，系统开展结构调控、材料表征与机理探究，逐步将设想转化为实验成果。论文撰写过程中，姜忠义教授带领大家反复推敲总框架、大逻辑及科学表述，仅引言部分便打磨修改三十余次。稿件于2026年1月投递，获得三位审稿人的高度认可，并于10月7日顺利发表。

“把工业碳减排的难题，转化为高端膜材料的科学问题，是我们长期攻关的方向。未来我们将进一步把重心放在规模化制备和产业化应用上。”团队负责人姜忠义教授表示，这项成果为探索膜材料在电力、水泥、钢铁等行业烟气碳捕集的应用提供了研究基础，也为推动碳捕集膜技术从实验室走向工业应用提供了新的可能。

该研究得到了国家自然科学基金、榆林中科洁净能源创新研究院能源革命专项资助、辽宁滨海实验室等项目资助，以及天津大学化工学院、合成生物技术全国重点实验室等单位的大力支持。