on label="Powered by 135editor.com" style="white-space: normal;">西安交通大学杨庆远课题组研发了系列镍基-金属有机框架（MOF）材料，实现了煤层气中甲烷和氮气的高效分离。在不同的CH4/N2浓度下，Ni(ina)2能够选择性地从CH4/N2混合物中吸附CH4。该成果以 (Nickel-Based Metal–Organic Frameworks for Coal-Bed Methane Purification with Record CH4/N2 Selectivity)为题发表于国际知名期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.) 上，并被选为Angewandte Chemie的封面文章和热点论文(Hot paper)。实现双碳目标，天然气是目前最现实的低碳清洁能源，但我国常规天然气产能不足，需开发煤层气等非常规天然气作为补充。煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是甲烷，是一种与煤共生、以吸附态存储于煤层内的非常规天然气，我国煤层气储量丰富，2020年探明的储量约为4200亿立方米。但超过 70%的煤层气在开采时，由于开采技术（井下抽采）的原因混入了大量的空气，导致形成了低浓度的煤层气（甲烷浓度＜30%）而得不到很好的利用，低浓度的煤层气一般被直接排放到大气，造成了资源浪费和温室效应。所以现阶段煤层气的分离与提浓技术已成为煤层气开发和利用的行业瓶颈问题，是需要攻克的关键节点。在这个工作中，超微孔MOF材料Ni(ina)2具有甲烷/氮气选择性高（15.8）、吸附容量大（46.7 cm3/g）和分子扩散速率快（10.6-19.0 cm3 g-1 s-1）的特点, 较好地解决了气体分离领域的“trade-off”效应。理论模拟计算和单晶结构解析表明Ni(ina)2和甲烷分子之间存在较强的作用力，可以从低浓度煤层气中选择性地捕获甲烷分子。用四种不同的吡啶-羧酸配体分别和Ni2+反应，得到四种孔径尺寸和孔化学环境不同的MOF材料，这些晶态多孔材料的拓扑为穿插的钻石网（dia）。图1i-1p为这四种MOF材料的孔道结构图。
在298K和100kPa下，Ni(ina)2的CH4吸附量为40.8 cm3g-1，高于同等条件下其他多孔材料的吸附量。在十次吸附-脱附循环实验后，Ni(ina)2的CH4吸附量保持不变，具有很好的重复性。图d, e, f分别为Ni(3-ain)2, Ni(2-ain)2和 Ni(pba)2的CH4- N2的吸附等温线。
在298K和100kPa下，Ni(ina)2的CH4/N2分离比为15.8，是目前的最高值(图a)。和其他多孔材料对比，Ni(ina)2有着优异的CH4吸附量和最高的CH4/N2分离比(图b)。如图c和图d为这四种材料的吸附焓（Qst）。理论模拟计算表明，材料Ni(ina)2和Ni(3-ain)2具有合适的孔道结构，可以有效地捕获CH4 (图a和图b)。而Ni(2-ain)2中的墨水瓶型孔道(图c)，Ni(pba)2的中较大的孔道都难以有效地吸附CH4分子(图d)。穿透实验表明，Ni(ina)2对不同浓度的CH4/N2混合气体具有良好的分离效果(图e-g)，实验所得CH4纯度约为99%。Ni(ina)2具有很好的热稳定性和化学稳定性，经过几十次煤层气循环吸附-脱附实验后，Ni(ina)2 的性能依旧保持不变。另外，Ni(ina)2由非常便宜的工业原料制备而成，通过和企业合作，目前已实现批量化制备。综上所述，Ni(ina)2是一种理想的固体吸附剂，该工作为工业上煤层气的分离难题提供了思路。杨庆远，西安交通大学教授，博士生导师，陕西省高层次人才，西安交通大学青年拔尖人才，化工学院学术委员会委员。担任中国晶体学会青年委员会委员，陕西省纳米科技学会理事会理事，《Chinese Chemical Letters》（中国化学快报）青年编委。2011年于中山大学获得博士学位，师从苏成勇教授；2011-2018年，作为博士后或访问学者先后在法国斯特拉斯堡大学、爱尔兰利默里克大学和日本京都大学工作，合作导师分别是Jean-Marie Lehn 院士（诺贝尔化学奖得主），Mike Zaworotko院士和Susumu Kitagawa 院士；2018年9月加入西安交通大学工作至今。长期从事多孔框架材料的研究，在 Angew. Chem. Int. Ed.、Science Advances、J. Am. Chem. Soc.等高水平期刊发表论文40余篇。http://gr.xjtu.edu.cn/web/qingyuan.yang
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201017
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