图1. 文章首页及摘要
甲烷（CH4）是一种清洁能源，具有较高的燃烧热值，其消耗量和需求量与日俱增。对于非常规CH4的有效利用，在缓解能源危机、全球变暖及环境污染等方面具有重要作用。其中，对于既是重点又是难点的CH4/N2进行分离，是非常规CH4分离中的关键。采用基于多孔吸附剂的吸附分离技术有望实现低浓度CH4的高效富集，然而，开发兼具高吸附容量与选择性的稳定吸附剂长期面临着诸多科学问题和挑战。
图2. 次级结构单元及骨架结构
基于此，本工作中通过改变配体几何构型来协同调控孔道构型和表面电势，利用两者的协同构建了一例具有双重烷烃吸附位点的高价钛基微孔MOF材料Ti-TCA（ZSTU-1）。由于该MOF骨架金属节点配位数高、配位饱和、不存在金属空位点，显示出弱极性孔表面的典型特征。此外，TCA配体芳环具有非共面性，在1D孔道中与电负性多核金属氧簇形成了具有对称分布的双重吸附位点，因此能够进行CH4的高选择辨识吸附，从而实现了CH4/N2的高效分离。详细结构表征计算和吸附分离测试表明：在298 K标压下，该材料CH4吸附量为1.37 mmol/g，吸附热为26.0 kJ/mol，测试压力范围内CH4/N2选择性为21.6-12.0，显著高于其他CH4优先吸附型MOF材料。体积比为50/50及20/80 的CH4/N2混合气穿透实验证实，该材料能够高效实现两者的分离，单次分离CH4产量为13.1 L/kg和2.05 L/kg。最后，通过结构解析及吸附位测定，从分子层面上明晰了CH4的吸附分离机理。本研究通过构建限域吸附位点实现了CH4的高选择性吸附，为相近物系的分离提纯提供了新思路。
图3. 吸附分离性能及吸附位点
该部分工作以“A Microporous Titanium Metal−Organic Framework with Double Nanotraps for Record CH4/N2 Separation”为题发表在Chemistry of Materials, 2024, 36, 6, 2925–2932（文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemmater.3c03282），文章第一作者为2020级博士研究生刘普旭，通讯作者为李立博教授。
