混合基质膜（MMM）结合了无机膜优异的选择分离性能与有机膜出色的机械强度和可加工性，已迅速成为高性能气体分离领域的一个前景广阔的方向。目前，关于MMM物理老化的系统研究仍相对有限，而物理老化会显著降低膜的气体分离性能，尤其是对含有高孔隙率聚合物的膜。为此，本工作为从机理和构效关系的层面全面理解MMM的物理老化效应，利用正电子湮没寿命谱学（PALS）对纯 PIM-1 膜以及填料含量为5 wt%和20 wt%的ZIF-8@PIM-1MMM进行了超过 100 天老化过程中的微观结构特征监测，并同步测试了三种膜的气体渗透性能及气体吸附动力学。

气体渗透性测试结果（图1）表明，老化效应导致三种膜的整体气体分离性能逐渐变差。对于N₂、CH₄和CO₂，MMM的渗透性初始高于纯膜，但随时间推移逐渐降低，且CO₂/N₂和CO₂/CH₄选择性呈现先升高后降低的趋势。MMM在老化初期气体渗透性的急剧下降主要归因于填料与基体之间界面空隙的塌缩及其相关伴随效应。

图1. 老过程中纯膜（PIM-1）、填料含量为5 wt% ZIF-8@PIM-1 MMM（PZ-5）、填料含量为20 wt% ZIF-8@PIM-1 MMM（PZ-20）的气体渗透性能测试结果。

PALS表征结果（图2）表明，纯PIM-1膜和两种混合基质膜老化过程中的微观结构变化主要源于大尺寸孔隙演变。随老化时间增加，大尺寸孔隙的平均尺寸和数量均呈减小，部分大尺寸孔隙会演变为小尺寸孔隙。此外，三种膜的相对自由体积分数（能够综合反映膜内孔隙尺寸和数量变化）在老化过程中逐渐减小。

图2. 老过程中由PALS表征得到的纯膜（PIM-1）、填料含量为5 wt% ZIF-8@PIM-1 MMM（PZ-5）、填料含量为20 wt% ZIF-8@PIM-1 MMM（PZ-20）的微观结构演变信息。

综合分析（图3）表明，对于N₂，三种膜的渗透性降低均由FFV引起的溶解系数和扩散系数的下降所驱动。相比之下，纯PIM-1膜的CO₂渗透性降低主要源于扩散系数的下降，而其溶解系数在老化过程中几乎保持不变。然而，MMM的CO₂渗透性降低则源于FFV引起的溶解系数和扩散系数均下降，且在填料含量更高的MMM中，前者（溶解系数）的影响更为显著。此外，在高温加速老化过程中，由于不同基体区域的收缩速率不均匀，填料周围的基体很可能沿远离填料表面的方向收缩。

图3. 老过程中纯膜（PIM-1）、填料含量为5 wt% ZIF-8@PIM-1 MMM（PZ-5）、填料含量为20 wt% ZIF-8@PIM-1 MMM（PZ-20）的气体输运参数（渗透性、扩散系数、溶解系数）与相对自由体积分数的相关程度。

本研究深化了对混合基质膜老化机制及其构效关系的认识，为未来抗老化混合基质膜的设计提供了有价值的指导。

该工作于2026年5月30日发表于环境工程领域著名期刊《Journal of Membrane Science》，标题为《Physical aging of ZIF-8@PIM-1 mixed matrix membranes investigated by positron annihilation lifetime spectroscopy》。论文的第一作者为博士生徐巍，通讯作者为刘建党博士和张宏俊研究员。