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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁(yè) > 科研進(jìn)展

潮濕甲烷高效純化的可逆水緩沖框架材料研究取得進(jìn)展

2025-08-22 福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所

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語(yǔ)音播報(bào)

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(duì)較低，被視為重要的戰(zhàn)略能源和化石燃料的清潔替代能源。為了達(dá)到工業(yè)應(yīng)用和民用燃料標(biāo)準(zhǔn)，管道天然氣中的乙烷（C₂H₆）、丙烷（C₃H₈）及微量水等雜質(zhì)需在運(yùn)輸和使用前徹底去除。微量水的存在通常會(huì)對(duì)氣體分離過(guò)程產(chǎn)生影響：一方面，水分子會(huì)競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，導(dǎo)致吸附劑性能急劇衰減；另一方面，多數(shù)金屬有機(jī)框架材料（MOFs）在水分子作用下會(huì)發(fā)生金屬節(jié)點(diǎn)水解或配體-金屬鍵斷裂，進(jìn)而引發(fā)多孔材料結(jié)構(gòu)坍塌。

針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員吳明燕團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(guò)程中表現(xiàn)出獨(dú)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。研究人員通過(guò)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(guò)金屬節(jié)點(diǎn)配位水的可逆得失，實(shí)現(xiàn)二維層狀結(jié)構(gòu)與三維框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(duì)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，且均對(duì)CH₄的吸附量相對(duì)較低。

同時(shí)，該材料的獨(dú)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(shí)驗(yàn)表明，在100%相對(duì)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?dú)怏w混合物，并以7.2mmol·g?1的高產(chǎn)率獲得高純度CH₄。進(jìn)一步，研究人員通過(guò)程序升溫調(diào)控開展了一系列原位吸附和突破分離實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了水合相FJI-W101a在潮濕環(huán)境下對(duì)C₂H₆和C₃H₈同樣具有優(yōu)異的吸附分離能力，且經(jīng)原位加熱活化，FJI-W101a可完全轉(zhuǎn)化為FJI-W101b。突破分離實(shí)驗(yàn)表明，其分離性能與新鮮制備的材料一致，驗(yàn)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(jié)晶性，可通過(guò)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(duì)C₂H₆和C₃H₈分子的選擇性吸附作用。

該研究為開發(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。

近期，相關(guān)研究成果以Reversible Trace-water-buffering Frameworks for Efficient Humid Methane Purification為題，發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院等的支持。

論文鏈接

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(duì)較低，被視為重要的戰(zhàn)略能源和化石燃料的清潔替代能源。為了達(dá)到工業(yè)應(yīng)用和民用燃料標(biāo)準(zhǔn)，管道天然氣中的乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）及微量水等雜質(zhì)需在運(yùn)輸和使用前徹底去除。微量水的存在通常會(huì)對(duì)氣體分離過(guò)程產(chǎn)生影響：一方面，水分子會(huì)競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，導(dǎo)致吸附劑性能急劇衰減；另一方面，多數(shù)金屬有機(jī)框架材料（MOFs）在水分子作用下會(huì)發(fā)生金屬節(jié)點(diǎn)水解或配體-金屬鍵斷裂，進(jìn)而引發(fā)多孔材料結(jié)構(gòu)坍塌。針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員吳明燕團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(guò)程中表現(xiàn)出獨(dú)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。研究人員通過(guò)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(guò)金屬節(jié)點(diǎn)配位水的可逆得失，實(shí)現(xiàn)二維層狀結(jié)構(gòu)與三維框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(duì)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，且均對(duì)CH4的吸附量相對(duì)較低。同時(shí)，該材料的獨(dú)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(shí)驗(yàn)表明，在100%相對(duì)濕度條件下，F(xiàn)JI-W101b仍可高效分離CH4/C2H6/C3H8（85/7.5/7.5，v/v）三元?dú)怏w混合物，并以7.2mmol·g?1的高產(chǎn)率獲得高純度CH4。進(jìn)一步，研究人員通過(guò)程序升溫調(diào)控開展了一系列原位吸附和突破分離實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了水合相FJI-W101a在潮濕環(huán)境下對(duì)C2H6和C3H8同樣具有優(yōu)異的吸附分離能力，且經(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(shí)驗(yàn)表明，其分離性能與新鮮制備的材料一致，驗(yàn)證了此類水緩沖材料用于天然氣純化的可行性。此外，F(xiàn)JI-W101a與FJI-W101b具有良好的結(jié)晶性，可通過(guò)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(duì)C2H6和C3H8分子的選擇性吸附作用。該研究為開發(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。近期，相關(guān)研究成果以Reversible Trace-water-buffering Frameworks for Efficient Humid Methane Purification為題，發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院等的支持。論文鏈接

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