气体分离膜被广泛用于碳捕获、生物气升级和氢气净化等场景，核心需求是将二氧化碳（CO₂）从氮气（N₂）、甲烷（CH₄）和氢气（H₂）等气体中分离出来。研究人员指出，现有膜材料在通量、稳定性以及高压高湿条件下的性能保持方面仍面临限制。

一项发表于《自然通讯》的研究借鉴植物叶片吸收二氧化碳的方式，开发并测试了一种水基气体分离膜。研究团队表示，该膜在选择性与渗透性方面表现突出，并提出一种更环保、更安全且潜在成本更低的二氧化碳捕获与气体净化路径。

在工业二氧化碳分离中，胺洗涤与低温分离等技术较为常见，但研究人员称这些方法能耗较高且需要使用有害化学品。膜分离效率更高，但常见问题是通量偏低，或在高压、高湿环境下出现性能下降。研究团队强调，膜材料普遍存在“选择性—渗透性”权衡：对二氧化碳分离能力越强，气体通量往往越低；同时在高压或湿润条件下还可能发生塑化与物理降解。

研究人员提到，支持液体膜（在多孔材料中夹持液体）显示出潜力。此类膜常使用离子液体或胺类液体，通过与二氧化碳的物理或化学相互作用获得较高选择性，但其渗透率往往受限于气体扩散率低、难以制备薄液层，以及部分依赖化学反应的体系反应动力学较慢等因素。

该研究将植物叶片细胞壁中“充水纳米通道”溶解二氧化碳的机制作为参考：通道内的气液界面吸收二氧化碳用于光合作用，同时在较大负压下依靠毛细力维持水的稳定存在。研究团队认为，这一机制对应工业二氧化碳膜所需的两项关键特性：水对二氧化碳具有较高溶解度；水的高表面张力使其能够在较大压差下稳定存在于微小毛细结构中。

基于上述思路，研究人员制备出一种由液态水稳定存在于亲水纳米孔之间的气体分离膜。该膜利用二氧化碳在水中的固有溶解性实现分离，使其在改变渗透率时仍能保持相对恒定的选择性。研究团队称，通过构建亲水性亚100纳米孔结构，水层在超过72巴压力下仍可保持稳定；在该体系中，液态水膜的选择性主要由溶解度决定，二氧化碳渗透率相较氮气等气体可高出约40倍。

在性能测试中，团队在不同压力与湿度条件下测量气体传输，并比较不同水层厚度的影响。结果显示，减薄水层可提高渗透率而不降低选择性：当水层厚度为190纳米时，膜的气体渗透率超过11,000 GPU，同时二氧化碳对氮气选择性为40、对甲烷为26、对氢气为31；在干燥高压条件下，膜稳定性超过一周。

研究人员同时对比称，既有支持液体膜的活性层厚度常达数十微米，使二氧化碳渗透率通常低于1000 GPU。该研究中各膜的二氧化碳对氮气选择性维持在31至40之间，研究团队据此表示，通过减薄膜层厚度，渗透率可提升近三个数量级而不损失选择性。

在可扩展性方面，研究人员使用商业化大面积亲水性聚偏二氟乙烯（PVDF）与聚醚砜（PES）膜作为基材进行测试。结果显示，无论基材类型如何，二氧化碳对氮气选择性均保持在约40，但渗透率较低。研究团队称，未优化的商业微米级厚度膜二氧化碳渗透率分别为PVDF 5.1 GPU、PES 6.1 GPU，主要原因可能是水层厚度较大并充满整个亲水膜厚度，导致扩散路径变长；商业膜中的水层厚度约为100微米，而实验制备膜为190纳米。

研究团队表示，这类水基膜在电厂与工业场所的碳捕获、氢气净化、合成气处理以及生物气二氧化碳去除等应用中具备潜力，但在规模化模型中渗透率偏低的问题仍需进一步优化。此外，极干燥或受污染条件下的长期稳定性也有待后续研究。

© 2026 Science X Network