論文DOI：10.1002/anie.202201017 西安交通大學楊慶遠課題組研發(fā)了系列鎳基-金屬有機框架（MOF）材料，實現了煤層氣中甲烷和氮氣的高效分離。在不同的CH4/N2濃度下，Ni(ina)2能夠選擇性地從CH4/N2混合物中吸附CH4。該成果以 (Nickel-Based Metal–Organic Frameworks for Coal-Bed Methane Purification with Record CH4/N2 Selectivity)為題發(fā)表于國際知名期刊《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.) 上，并被選為Angewandte Chemie的封面文章和熱點論文(Hot paper)。實現雙碳目標，天然氣是目前最現實的低碳清潔能源，但我國常規(guī)天然氣產能不足，需開發(fā)煤層氣等非常規(guī)天然氣作為補充。煤層氣俗稱“瓦斯”，其主要成分是甲烷，是一種與煤共生、以吸附態(tài)存儲于煤層內的非常規(guī)天然氣，我國煤層氣儲量豐富，2020年探明的儲量約為4200億立方米。但超過 70%的煤層氣在開采時，由于開采技術（井下抽采）的原因混入了大量的空氣，導致形成了低濃度的煤層氣（甲烷濃度＜30%）而得不到很好的利用，低濃度的煤層氣一般被直接排放到大氣，造成了資源浪費和溫室效應。所以現階段煤層氣的分離與提濃技術已成為煤層氣開發(fā)和利用的行業(yè)瓶頸問題，是需要攻克的關鍵節(jié)點。在這個工作中，超微孔MOF材料Ni(ina)2具有甲烷/氮氣選擇性高（15.8）、吸附容量大（46.7 cm3/g）和分子擴散速率快（10.6-19.0 cm3 g-1 s-1）的特點, 較好地解決了氣體分離領域的“trade-off”效應。理論模擬計算和單晶結構解析表明Ni(ina)2和甲烷分子之間存在較強的作用力，可以從低濃度煤層氣中選擇性地捕獲甲烷分子。用四種不同的吡啶-羧酸配體分別和Ni2+反應，得到四種孔徑尺寸和孔化學環(huán)境不同的MOF材料，這些晶態(tài)多孔材料的拓撲為穿插的鉆石網（dia）。圖1i-1p為這四種MOF材料的孔道結構圖。
在298K和100kPa下，Ni(ina)2的CH4吸附量為40.8 cm3g-1，高于同等條件下其他多孔材料的吸附量。在十次吸附-脫附循環(huán)實驗后，Ni(ina)2的CH4吸附量保持不變，具有很好的重復性。圖d, e, f分別為Ni(3-ain)2, Ni(2-ain)2和 Ni(pba)2的CH4- N2的吸附等溫線。
在298K和100kPa下，Ni(ina)2的CH4/N2分離比為15.8，是目前的最高值(圖a)。和其他多孔材料對比，Ni(ina)2有著優(yōu)異的CH4吸附量和最高的CH4/N2分離比(圖b)。如圖c和圖d為這四種材料的吸附焓（Qst）。理論模擬計算表明，材料Ni(ina)2和Ni(3-ain)2具有合適的孔道結構，可以有效地捕獲CH4 (圖a和圖b)。而Ni(2-ain)2中的墨水瓶型孔道(圖c)，Ni(pba)2的中較大的孔道都難以有效地吸附CH4分子(圖d)。穿透實驗表明，Ni(ina)2對不同濃度的CH4/N2混合氣體具有良好的分離效果(圖e-g)，實驗所得CH4純度約為99%。Ni(ina)2具有很好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，經過幾十次煤層氣循環(huán)吸附-脫附實驗后，Ni(ina)2 的性能依舊保持不變。另外，Ni(ina)2由非常便宜的工業(yè)原料制備而成，通過和企業(yè)合作，目前已實現批量化制備。綜上所述，Ni(ina)2是一種理想的固體吸附劑，該工作為工業(yè)上煤層氣的分離難題提供了思路。楊慶遠，西安交通大學教授，博士生導師，陜西省高層次人才，西安交通大學青年拔尖人才，化工學院學術委員會委員。擔任中國晶體學會青年委員會委員，陜西省納米科技學會理事會理事，《Chinese Chemical Letters》（中國化學快報）青年編委。2011年于中山大學獲得博士學位，師從蘇成勇教授；2011-2018年，作為博士后或訪問學者先后在法國斯特拉斯堡大學、愛爾蘭利默里克大學和日本京都大學工作，合作導師分別是Jean-Marie Lehn 院士（諾貝爾化學獎得主），Mike Zaworotko院士和Susumu Kitagawa 院士；2018年9月加入西安交通大學工作至今。長期從事多孔框架材料的研究，在 Angew. Chem. Int. Ed.、Science Advances、J. Am. Chem. Soc.等高水平期刊發(fā)表論文40余篇。http://gr.xjtu.edu.cn/web/qingyuan.yang
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201017
