多孔有机聚合物凭借其可定制的分子结构、高比表面积及丰富的孔隙系统，在极端环境下多相污染物的协同治理中展现出显著潜力。然而，在实际复杂工况中，该类材料仍面临分子与颗粒物尺度不匹配、传质动力学冲突以及干湿过程兼容性差等系列挑战。通过原子级精度的孔道调控与开放金属位点协同设计所构建的纳米限域分离膜，可望突破传统多孔膜材料在多相污染物交叉干扰、高湿环境性能衰退、吸附容量与选择性难以兼顾等方面的局限，成为推动下一代高性能环境膜材料发展的关键路径之一。
为此，中国矿业大学何新建教授、徐欢副教授提出了一种“原子级纳米限域”策略，通过在聚合物框架中精准锚定钴(II)位点，实现了埃级精度的孔隙空间分隔与原子级分散开放金属位点的协同整合。据此构建的纳米限域膜具有尺寸匹配的空腔结构与连续局域正电场通道，赋予其对多相污染物的识别与分离性能。相关研究以“Atomic-Level Nanoconfinement Strategy for Self-Standing Permselective Membranes Enabling Precise Recognition of CO2 in Multiphase Pollutants”为题发表于学术期刊Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202521019）。论文第一作者为25级博士生汪少振，合作者包括矿大陈小雨教授、刘宏副教授，扬大高杰峰教授。该研究获国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。
原子级纳米限域设计策略
团队基于分子结构设计，在溴化碳纳米管模板表面同步实现CMPs活性层的原位生长与钴位点的原子级锚定，构建具有明确核壳结构的自支撑复合膜。扫描与透射电镜图像显示，CNTs模板引导CMPs沿其表面定向聚合，形成厚度均一、界面紧密结合的功能层，证明原子级钴位点的引入未导致相分离或结构破坏。高分辨TEM与选区电子衍射进一步揭示材料具有“局部晶域有序-全局框架非晶”的复合特性：CNTs核心维持石墨晶格的长程有序性，而CMPs外壳则呈现典型的多孔非晶结构。这种独特的异质结构不仅为气体分子提供了高效扩散路径，还通过界面耦合效应显著增强了材料的机械性能与拓扑稳定性，为后续实现电场增强型分子识别与尺寸筛分机制奠定了坚实的结构基础。
图1. 纳米限域膜设计与多层级结构演化过程
孔道调控与界面协同机制
通过多维度谱学分析与孔结构表征，系统阐明了钴位点定向锚定对CMPs框架电子结构及孔隙微环境的调控机制。FTIR中C=N特征峰位的显著蓝移证实了Co2+与联吡啶单元间形成了稳定的配位结构，固态13C核磁共振谱中炔键与芳碳的特征信号验证了Sonogashira交叉偶联反应的完整性，XRD中非晶弥散峰与CNTs特征晶面峰的共存则表明复合材料成功保留了双相结构特征。氮气吸附-脱附测试显示钴功能化纳米限域膜具有更高的比表面积与微孔体积，孔分布曲线明确揭示了钴位点占据引发的孔径收缩效应，证实原子级金属中心通过空间位阻与电子效应的协同作用，诱导大孔通道向亚纳米尺度转化，从而精准构筑了具有分级筛分功能的层级孔系统。这种精心设计的纳米限域环境为实现CO2分子的高效识别与选择性捕获提供了理想条件。
图2. NSPMs的组成结构与孔隙性质
极端恶劣环境多相污染物滤除
在空气净化性能方面，Co-NSPM在不同流速条件下对PM0.3的截留效率始终保持在97.2%以上，其优异的抗剪切稳定性得益于钴位点增强的框架刚性与三维交联网络的结构完整性。在95% RH高湿环境中，该膜材料仍保持99.35%的PM0.3去除率，这源于其本征疏水性表面与持续局部正电场的协同防护机制：疏水界面有效阻隔水分子渗透，而钴位点诱导的静电场则实现对带电颗粒的持续捕获，从而克服传统滤膜因表面水膜形成导致的效率衰减。在酸碱腐蚀环境中，材料仍保持卓越的过滤性能，证实其配位键稳定的共价网络结构可有效抵抗质子化及水解侵蚀，展现了在复杂工业烟气环境中长期稳定运行的巨大潜力。
图3. NSPMs抗污染、抗湿蚀与抗化学腐蚀的多重防护机制
长期服役使用寿命评价
通过系统化的循环再生实验与表面化学分析，本研究全面评估了纳米限域膜在多次污染-清洗循环中的结构完整性、化学稳定性与性能恢复能力。经过十次PM吸附-解吸循环后，SEM显示膜的三维网络结构未出现塑性变形或结构坍塌；FTIR光谱中特征官能团的吸收峰位与强度保持恒定；XPS的宽谱与高分辨谱图中各元素特征峰均未发生位移或强度变化，证实再生过程仅通过物理方式去除污染物，未引发材料框架的化学降解。尤为重要的是，Co 2p谱图中Co²⁺的特征结合能及其卫星峰在循环前后完全一致，表明原子级分散的钴位点在多次使用过程中保持了完整的配位环境与氧化态稳定性。这一发现为该类材料在实际工业环境中作为可重复使用的高性能过滤介质提供了关键科学依据。
图4. NSPMs组成结构稳定与性能恢复能力
精准识别与高效分离机制
在气体吸附分离性能方面，Co-NSPM在273 K和1.0 bar条件下表现出卓越的CO2吸附能力（3.37 mmol·g-1），其对CO2/N2和CO2/CH4的IAST选择性分别达到230和75，性能显著超越未功能化样品。吸附等温线呈现的陡峭上升特征与等量吸附热随覆盖度增加而升高的趋势共同表明，材料孔道内存在能量非均一性的吸附位点分布，促使CO₂分子在钴活性中心周围发生局部富集甚至簇集行为，从而显著增强了吸附质-材料界面相互作用。这种由原子级空间限域与局部电场效应协同驱动的吸附机制，不仅成功突破了传统多孔材料在吸附容量与选择性之间的性能权衡瓶颈，更为发展新一代高效碳捕集材料提供了全新的理论框架与技术途径。
图5. 气体吸附热力学与动力学行为分析
多组分竞争选择性吸附机制
动态柱穿透实验证实了Co-NSPM在真实混合气体环境中的卓越分离性能与工况适应性。在CO2/N2和CO2/CH4二元混合气分离过程中，材料表现出显著的CO2滞留效应，其突破曲线呈现典型的“快速穿透-缓慢饱和”特征，体现了对CO2分子的强选择性吸附能力。在高湿度条件下，材料的分离性能保持稳定，突破时间与吸附容量未见衰减，这得益于其疏水表面与局域正电场的协同保护机制：疏水界面有效阻隔水分子竞争吸附，而静电场优先作用于具有四极矩的CO2分子。经过十次连续循环实验，突破曲线呈现高度重合，证实材料具有卓越的再生稳定性与长期运行可靠性，为工业级碳捕集工艺的连续操作提供了可靠的材料基础。
图6. 真实混合气环境分离效能与机制
吸附分离分子动力学模拟
基于密度泛函理论的计算从电子结构层面揭示了钴位点对孔道微环境调控及气体识别机制的本质影响。静电势分布表明钴配位区域呈现显著正电势集中，与CO2分子中带负电的氧原子形成强静电互补效应，而非极性的CH4与N2分子则难以产生有效相互作用。轨道能级分析显示钴位点的引入使体系的HOMO-LUMO能隙显著减小，优化了电子传输路径，增强了框架与气体分子间的电荷转移能力。结合能计算证实膜对CO2的结合能显著高于CH4和N2，与实验吸附数据高度吻合。Mulliken电荷布局与态密度分析进一步表明CO2吸附引发了电子从框架向吸附质的转移，验证了电场驱动的主-客体电荷重排机制，从量子化学层面完整阐释了材料高选择性吸附的物理化学本质。
图7. 孔道微环境、表面电势与精准识别机制
小结
本研究通过原子级金属位点精准调控与纳米限域效应的协同策略，成功构建了具备选择性气体分离与颗粒物拦截双功能特性膜材料，实现了对多相污染物的同步高效净化。工作突破了传统多孔材料在吸附容量与选择性之间的固有平衡限制，通过构建局部电场诱导传输与尺寸筛分协同作用机制，实现了对CO2的精准识别及超细PM的深度拦截。这一研究成果为发展高性能环境治理材料体系提供了新的设计思路与理论模型，奠定了下一代智能分离材料的理论基础与设计依据。
团队介绍
汪少振：中国矿业大学2025级博士研究生，主要研究多孔聚合物MOF/COF与可降解高分子材料形态调控及其在个体防护与空气治理研究。在Advanced Functional Material（2篇），Chemical Engineering Journal（1篇），Journal of Hazardous Materials（2篇），Journal of Membrane Science（1篇）等国内外期刊发表学术论文10余篇，申请/授权发明专利十余项。先后荣获省级优秀毕业生，省级优秀毕业论文，国家奖学金（连续2次）等荣誉。
何新建：中国矿业大学职业健康研究院院长，江苏省粉尘治理与职业防护工程研究中心主任，应急管理部有限空间事故调查指导专家组专家，国家“万人计划”青年拔尖人才、江苏省特聘教授、国家重点研发计划首席科学家，美国注册安全专家（CSP），美国注册工业卫生专家（CIH）。长期从事职业安全健康的科学研究与教学工作，主要研究领域包括气溶胶科学、个体防护技术、职业危害暴露控制等。形成了以全身型高效防护装备、应急救援降温服为代表的多项科研成果，发表高水平学术论文近100篇，三次获得美国工业卫生协会个体防护研究约翰-怀特（John M. White Award）学术奖。先后担任美国职业卫生学会呼吸防护委员会主席、美国NIOSH特聘客座研究员、国际呼吸防护期刊JISRP副主编等。
徐欢：先后毕业于南昌大学、四川大学、瑞典皇家理工学院，获双博士学位，长期从事高分子材料形态与性能调控的理论基础和加工方法研究，围绕高分子形态控制机理、特殊结构成型方法与多学科交叉应用开展系列工作，已发表研究论文100余篇，授权发明专利20余件，入选2025全球前2%顶尖科学家榜单。研究获得国家自然科学基金青年和面上项目，国家重点研发计划，江苏省基础研究计划重点项目，国家能源集团十大科技攻关项目等资助支持。获2021年贵州省自然科学奖三等奖，2022年首届全国博士后揭榜领题金奖，2023年第二届全国博士后创新创业大赛金奖，2025年第三届全国博士后创新创业大赛铜奖，2025年第十九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛江苏省二等奖、全国二等奖等科研奖励。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202521019
