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。

针对上述问题，西安交通大学化工学院杨庆远教授课题组研发了系列镍基-金属有机框架（MOF）材料，其中超微孔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 cm³g^-1s^-1）的特点,较好地解决了气体分离领域的“trade-off”效应，实现了煤层气中甲烷和氮气的高效分离。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。另外，Ni(ina)₂具有很好的热稳定性和化学稳定性，可以批量化制备，是一种理想的固体吸附剂，该工作为工业上煤层气的分离提供了新思路。

该成果以“具有创纪录CH₄/N₂分离比的镍基MOF材料用于煤层气分离”(Nickel-Based Metal–Organic Frameworks for Coal-Bed Methane Purification with Record CH₄/N₂Selectivity)为题发表于国际知名期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)(IF=15.336)上，并被选为Angewandte Chemie封面文章和热点论文(Hot paper)。化学工程与技术学院博士生王少敏为论文第一作者，杨庆远教授为本文通讯作者，西安交通大学化工学院为论文唯一通讯作者单位。

该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省“高层次人才引进计划”、西安交大青年教师跟踪支持计划和西安交通大学青年拔尖人才计划等项目资助。日本京都大学Mohana博士在原位单晶结构分析方面提供了帮助。表征及测试工作得到西安交通大学分析测试共享中心和化工学院分析测试中心的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201017

课题组主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/qingyuan.yang

文字：化工学院

图片：化工学院