在全球能源结构转型中，天然气作为清洁化石燃料的重要性日益凸显，但其提纯过程面临一大技术瓶颈：氮气（N2）与甲烷（CH4）的分离。由于两者分子尺寸接近（N2为3.64 Å，CH4为3.80 Å）且理化性质相似，传统低温蒸馏法能耗较高；变压吸附凭借低能耗、易操作等优势被认为是极具前景的方案，但其核心在于开发具有高选择性的吸附材料。近日，太原理工大学李晋平教授团队在Angewandte Chemie International Edition 发表研究论文，报道了一种具有低极化率开放Cu(I)位点的金属有机框架材料（Cu-MFU-4l），为天然气高效净化提供了新方案。
图1. 在MOFs中锚定低极化率Cu(I)位点以实现基准级N2/CH4分离性能
文中报道了一种稳定的金属有机框架材料（Cu-MFU-4l），其具有低极化率的开放Cu(I)位点，可实现高效N2/CH4分离。Cu(I)类似于V(II)和Cr(III)位点，空的s轨道可以接受来自客体分子的电子，并且其d轨道可以充当供体轨道，用于反馈到客体分子的反键π轨道中，从而建立强的Cu(I)-客体相互作用。由于开放Cu(I）位点的低价态和特定π络合，Cu-MFU-4l可以预期消除N2和CH4之间的竞争效应。通过X射线吸收光谱（XAS）、原位CO吸附红外光谱和X射线光电子能谱（XPS），证实了该框架中开放Cu(I)位点的存在。气体吸附等温线显示，Cu-MFU-4l对N2和CH4的吸附量存在显著差异，由此产生的N2/CH4吸附比高达1.94，动力学选择性为2.20，其中N2/CH4吸附比是迄今为止所有已报道的金属有机框架材料中最高的。穿透实验证实，Cu-MFU-4l表现出创纪录的穿透选择性（2.43）和甲烷产率（0.47 mmol/g）。通过一步分离工艺，Cu-MFU-4l能从三组分乃至六组分甲烷混合物中获得高纯度甲烷（99.99%）。原位红外光谱和计算模拟研究表明，开放的Cu(I)位点能够更好地识别N2和CH4。该研究不仅提供了N2/CH4分离的新基准材料，同时也为设计具有合适极化率、吸附位点型的MOF提供了一些思路。
文章的通讯作者是太原理工大学李晋平教授和杨江峰教授，第一作者是张飞飞老师。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Nitrogen Adsorption Sites with Low Polarizability for Benchmark N2/CH4 Separation
Feifei Zhang, Zhiwei Zhao, Yating Wang, Xiaomin Li, Xiaowei Bai, Mengyue Lu, Yanjie Wang, Xiaoqing Wang, Libo Li, Jinping Li, Jiangfeng Yang
Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202510242
导师介绍
李晋平
https://www.x-mol.com/university/faculty/13037
