氦气被誉为“气体黄金”，在半导体制造、核磁共振、深海潜水、航天工程等领域不可或缺。然而，氦气资源稀缺，且与氢气分子尺寸、物性极为相似，如何将二者高效分离一直是工业界的一大技术瓶颈。

近日，中科院过程工程研究所张锁江院士、罗双江研究员团队在 《Angewandte Chemie International Edition》 上发表最新研究成果：通过一种巧妙的后氟化修饰技术，成功制备出高性能超微孔碳分子筛中空纤维膜，实现了对氦气/氢气混合气的高效分离。

核心突破：氟原子精准调控孔径

传统碳分子筛膜对He/H₂的选择性极低（仅0.24–1.52），难以满足实际分离需求。该团队提出一种简单而有效的策略：

将中空纤维膜部分碳化后，通过短时间氟化处理，在膜孔内壁引入氟原子。

氟原子起到了“双重调控”作用：

尺寸筛分：精确将亚纳米孔道尺寸控制在He和H₂分子直径之间。

增强识别：C–F键通过极化与氢键作用，提升对氢分子的吸附亲和力。

这使得膜孔对He、H₂的透过速率产生显著差异，实现准分子筛分。

性能数据：全面超越现有膜材料

在35°C、40 bar进料压力下，氟化膜（HFM-550-F-1min）展现出优异性能：

分离体系

选择性

对比传统膜

He/H₂二元混合气

10.5

远高于1.0–2.0

He/(H₂+CO₂) 三元混合气

20.8

显著提升

He/CO₂二元混合气

129

极高选择性

此外，该膜还具备：

抗塑化能力强 — 耐受高压进料；

长期稳定性 — 连续运行30天以上性能不衰减；

工业工艺友好 — 中空纤维构型，易于放大。

研究意义：打开He/H₂分离新路径

这项工作标志着：首次通过简单的后氟化策略，将低选择性的碳分子筛膜转变为高效He/H₂分离膜，性能全面超越2008年Robeson上限。

该策略不仅为氦气回收提供了一种全新的高性能膜材料，也为设计其他小分子气体（如H₂/CH₄、CO₂/CH₄）的高精度分离膜提供了可借鉴的思路。

应用前景：从实验室走向天然气提氦

这项技术尤其适用于：天然气井口气提氦、炼厂气中氦气回收、核反应堆冷却回路氦气净化。

中空纤维膜具有高装填密度、低能耗、连续操作等优势，与现有深冷、变压吸附工艺形成良好互补，有望大幅降低氦气回收成本。