天然氣主要由甲烷（CH4）組成，因其能量密度高且碳排放量相對較低，被視為重要的戰(zhàn)略能源以及化石燃料的清潔替代能源。為了達到工業(yè)應(yīng)用和民用燃料標準，管道天然氣中的乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）和微量水等雜質(zhì)必須在運輸和使用前徹底去除。然而，微量水的存在往往會對氣體分離過程產(chǎn)生顯著影響：一方面，水分子會競爭吸附位點，導致吸附劑性能急劇衰減；另一方面，多數(shù)金屬有機框架材料（MOFs）在水分子作用下會發(fā)生金屬節(jié)點水解或配體-金屬鍵斷裂，進而引發(fā)多孔材料結(jié)構(gòu)坍塌。
基于此，中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所吳明燕研究員團隊成功設(shè)計并合成了一例具有水緩沖功能的MOFs材料。該材料在水分子吸附/脫附過程中表現(xiàn)出獨特的單晶-單晶可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變特性，使其在潮濕環(huán)境下仍能維持優(yōu)異的分離性能。通過單晶X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，水合相FJI-W101a與脫水相FJI-W101b之間可通過金屬節(jié)點配位水的可逆得失，實現(xiàn)二維層狀結(jié)構(gòu)與三維框架結(jié)構(gòu)的動態(tài)轉(zhuǎn)換。雖然FJI-W101a與FJI-W101b具有不同的結(jié)構(gòu)，但兩者均對體積較大的C3H8和中等尺寸的C2H6分子表現(xiàn)出顯著的選擇性吸附能力，而對CH4的吸附量卻很低。該材料的獨特性能使其適用于潮濕環(huán)境下的管道天然氣純化。突破分離實驗表明，即使在100%相對濕度條件下，F(xiàn)JI-W101b仍能高效分離CH4/C2H6/C3H8（85/7.5/7.5, v/v）三元氣體混合物，并以7.2 mmol·g-1的高產(chǎn)率獲得高純度CH4。此外，通過程序升溫調(diào)控，研究人員開展了一系列原位吸附和突破分離實驗，證實了水合相FJI-W101a在潮濕環(huán)境下對C2H6和C3H8同樣具有優(yōu)異的吸附分離能力。經(jīng)原位加熱活化，F(xiàn)JI-W101a可完全轉(zhuǎn)化為FJI-W101b，突破分離實驗表明其分離性能與新鮮制備的材料一致，驗證了此類水緩沖材料用于天然氣純化的可行性。 同時，F(xiàn)JI-W101a與FJI-W101b具有良好的結(jié)晶性，可以通過單晶X射線衍射分析捕獲在孔道中的客體分子結(jié)構(gòu)，精確地揭示孔道結(jié)構(gòu)對C2H6和C3H8分子的選擇性吸附作用。該項工作為開發(fā)具有可逆水緩沖性能的新型多孔氣體分離材料提供了新思路。 相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所陳城副研究員。 論文信息 Reversible Trace-Water-Buffering Frameworks for Efficient Humid Methane Purification Dr. Cheng Chen, Ming Li, Shuixiang Zou, Prof. Dr. Wei Wei, Prof. Dr. Maochun Hong, Prof. Dr. Mingyan Wu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202510669
