研究背景
甲烷 (CH₄) 作为天然气的主要成分（约占 85%），是重要的清洁能源和关键的化学原料。然而，乙烷 (C₂H₆) 和丙烷 (C₃H₈) 的存在不仅影响 CH₄ 的燃烧效率和转化率，还会造成存储安全隐患。此外，C₂H₆ 和 C₃H₈ 可用于生产烯烃和聚合物等高附加值化学产品。因此，从天然气中分离并回收 C₂H₆ 和 C₃H₈ 对能源利用和环境保护具有重要意义。
基于固体吸附剂的分离方法因能效高、成本低备受关注。其中，金属有机框架 (MOFs) 因其高孔隙率和结构可控性，成为极具潜力的吸附剂材料。然而，C₂H₆ 和 CH₄ 极为相似的分子大小和化学性质及 C₃H₈ 和 C₂H₆ 间的竞争性吸附使 MOFs 的吸附分离性能提升具有挑战性。
研究内容
Figure 1. C–H···π 键和纳米陷阱协同效应实现饱和烷烃吸附分离策略示意图
使用苯环中含 N 原子的二羧酸配体 2,5-PDC 与金属中心 Co 配位引入金属有机连接单元 [Co(2,5-PDC)₂]，进一步通过三吡啶配体 (TPB/TPP) 连接，构筑了两例具有尺寸不同的芳香环纳米阱的 9-连接 MOFs (SNNU-185/186) (Figure 2)。
Figure 2. SNNU-185 和 SNNU-186 的晶体结构示意图
单组份吸附测试、稳定性测试和吸附焓计算结果表明，SNNU-185/186 具有优异的吸附量、超高的结构稳定性、基准的 C₂H₆ 吸附焓和最大的 C₂H₆ 和 CH₄ 间吸附焓差值 (Figure 3)。
Figure 3. SNNU-185/186 的气体吸附性能测试
双组分穿透实验验证了选择性纳米阱的有效性（Figure 4a 和 4b），多组分穿透实验证明了 SNNU-185/186 出色的实际分离性能。兼具高的 CH₄ 产率 (6.85/6.10 mmol g⁻¹)、一流的动态吸附量 (C₂H₆: 1.23/0.90 mmol g⁻¹; C₃H₈: 2.33/2.15 mmol g⁻¹）、最高的吸附焓 (43.5/48.8 kJ mol⁻¹) 和出色的 C₃H₈ 吸附量，SNNU-185 和 SNNU-186 成为当下性能最佳的 C₃H₈/C₂H₆/CH₄ 吸附剂材料之一。
Figure 4. SNNU-185/186 的动态穿透测试
Figure 5. GCMC 模拟的吸附结合位点（键距单位为埃，Å）
论文信息
Metal-organic frameworks with two different-sized aromatic ring-confined nanotraps for benchmark natural gas upgrade Shu-Yi Li, Ying-Ying Xue, Jia-Wen Wang, Hai-Peng Li, Jiao Lei, Hong-Juan Lv, Xianhui Bu* (卜贤辉，加州州立大学长滩分校), Peng Zhang, Ying Wang, Wen-Yu Yuan and Quan-Guo Zhai* (翟全国，陕西师范大学) Chem. Sci., 2024, 15, 17547-17555
https://doi.org/10.1039/D4SC04387A
期刊介绍
rsc.li/chemical-science
Chem. Sci.
| 2-年影响因子* | 7.6分 |
| 5-年影响因子* | 8.0分 |
| JCR 分区* | Q1 化学-综合 |
| CiteScore 分† | 14.4分 |
| 中位一审周期‡ | 33 天 |
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Editor-in-Chief
Andrew Cooper
🇬🇧 利物浦大学
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