膜分离技术具有能耗低，效率高，操作简单，分离过程无相变等优点，因此展现出广阔的发展前景。目前，聚合物膜和混合基质膜在气体分离领域占据主导地位，但是这些膜材料对气体分离的高渗透量和高选择性难以同时实现。并且，聚合物膜存在着塑化、老化等问题；混合基质膜中的微孔材料和聚合物基质之间存在相容性差等问题。微孔材料连续膜能够高通量、高选择性地分离气体混合物，因此被认为是理想的气体分离膜之一。迄今为止，连续的沸石膜和金属有机骨架膜都已经被 道研究。多孔芳香骨架材料（PAFs）作为一类新型的微孔材料，具有高稳定性，结构可调节，以及高度交联贯通的孔道结构等特点。但是由于PAFs主要通过不可逆的偶联反应得到，目前合成连续PAFs膜用于气体分离是具有挑战性的。
为了解决合成无缺陷PAFs连续膜这一问题，东北师范大学朱广山课题组合成了首个具有气体分离性能的连续PAFs膜（iPAF-5），并实现了对PAFs膜的孔道尺寸以及化学性质的调控，PAFs膜表现出对H2/N2，CO2/N2等不同气体混合物优异的气体分离性能。他们设计了基于咪唑基团的PAFs膜，并利用表面引发策略合成了iPAF-5膜。通过原子力显微镜对PAFs膜的观察揭示出PAFs膜厚度与生长时间的线性关系。对抗衡离子分别为Cl-，Br-，BF4-的三种PAFs膜iPAF-5(Cl)，iPAF-5(Br)，iPAF-5(BF4)的气体分离性能研究表明，iPAF-5(Cl)（0.76nm）由于孔径较大，虽然具有高的气体渗透量，但是对不同气体筛分能力差。当使用Br-或者BF4-替换Cl-后，iPAF-5(Br)和iPAF-5(BF4)的孔径被调节为0.48nm，实现了孔道尺寸在分子水平的精准调控，可对H2/N2，CO2/N2等气体混合物进行基于分子尺寸的筛分。另一方面，离子交换也对iPAF-5膜的孔道化学性质起到了调节作用，尽管孔道尺寸相似，iPAF-5(BF4)中CO2的渗透率是iPAF-5(Br)中的2.3倍，理论计算结果表明iPAF-5(BF4)中CO2的扩散速度是iPAF-5(Br)中的2.9倍。与此前 道的混合基质膜相比，iPAF-5(BF4)具有远高于其他气体分离膜的渗透量。通过72h的连续气体渗透量测试表明，PAFs膜具有优良的持久性。并且离子交换的过程没有破坏PAFs材料的孔道结构，PAFs膜依然能够实现高效的气体分离。
图一：PAF膜在不同生长时间边缘区域的AFM图像及对应的高度图。（a）6h；（b）12h；（c）24h；（d）48h；（e）72h和（f）84h。
图二：（a）连续PAF膜对H2/N2混合组分的分离渗透量和选择性；（b）连续PAF膜对CO2/N2混合组分的分离渗透量和选择性；（c）连续PAF膜与 献 道的其它微孔连续膜对H2/N2混合组分的分离性能比较（黑色直线为2008年Robeson曲线）；（d）连续PAF膜与 献 道的其他微孔连续膜对CO2/N2混合组分的分离性能比较；（e）iPAF-5(BF4)连续膜与 献 道的其它混合基质膜的对CO2渗透量的比较。
图三：iPAF-5膜的72h内的渗透量测试：（a）iPAF-5(Cl)；（b）iPAF-5(Br)；（c）iPAF-5(BF4)
该工作首次合成了具有气体分离性能的连续PAFs膜，并研究了其生长过程，通过离子交换实现了孔道尺寸和化学性质的调控，为PAFs材料的功能化以及在气体分离连续膜领域的研究提供了新的思路。
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