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，被視為重要的戰略能源和化石燃料的清潔替代能源。為了達到工業應用和民用燃料標準，管道天然氣中的乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）及微量水等雜質需在運輸和使用前徹底去除。微量水的存在通常會對氣體分離過程產生影響：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，多數金屬有機框架材料（MOFs）在水分子作用下會發生金屬節點水解或配體-金屬鍵斷裂，進而引發多孔材料結構坍塌。
針對上述問題，中國科學院福建物質結構研究所研究員吳明燕團隊設計并合成了一種具有水緩沖功能的MOFs材料。該材料在水分子吸附/脫附過程中表現出獨特的單晶-單晶可逆結構轉變特性，使其在潮濕環境下仍能維持優異的分離性能。研究人員通過單晶X射線衍射分析發現，水合相FJI-W101a與脫水相FJI-W101b之間可通過金屬節點配位水的可逆得失，實現二維層狀結構與三維框架結構的動態轉換。雖然FJI-W101a與FJI-W101b具有不同的結構，但兩者均對體積較大的C3H8和中等尺寸的C2H6分子表現出顯著的選擇性吸附能力，且均對CH4的吸附量相對較低。
同時，該材料的獨特性能使其適用于潮濕環境下的管道天然氣純化。突破分離實驗表明，在100%相對濕度條件下，FJI-W101b仍可高效分離CH4/C2H6/C3H8（85/7.5/7.5，v/v）三元氣體混合物，并以7.2mmol·g?1的高產率獲得高純度CH4。進一步，研究人員通過程序升溫調控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在潮濕環境下對C2H6和C3H8同樣具有優異的吸附分離能力，且經原位加熱活化，FJI-W101a可完全轉化為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。此外，FJI-W101a與FJI-W101b具有良好的結晶性，可通過單晶X射線衍射分析捕獲在孔道中的客體分子結構，精確地揭示孔道結構對C2H6和C3H8分子的選擇性吸附作用。
該研究為開發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。
近期，相關研究成果以Reversible Trace-water-buffering Frameworks for Efficient Humid Methane Purification為題，發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院等的支持。
論文鏈接
本文鏈接：潮濕甲烷高效純化的可逆水緩沖框架材料研究取得進展http://www.sq15.cn/show-12-1635-0.html
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