【CuIn(ina)₄】双金属配位网络孔结构调控用于天然气纯化，实现创纪录的C₂H₆/CH₄选择性

首页 > 行业动态 > 【CuIn(ina)₄】双金属配位网络孔结构调控用于天然气纯化，实现创纪录的C₂H₆/CH₄选择性

西安交通大学化学工程与技术学院杨庆远教授团队报道的本篇文章（Inorg. Chem. Front. 2025, DOI: 10.1039/D5QI00316D）中，提出通过调控双金属配位网络（CuIn(ina)₄和CuIn(3-ain)₄）的孔径尺寸和化学环境，实现天然气中CH₄/C₂H₆/C₃H₈混合气体的高效分离。其中，CuIn(3-ain)₄表现出创纪录的C₂H₆/CH₄选择性（IAST选择性达99）和低压区C₂H₆吸附容量（10 kPa下2.71 mmol g⁻¹），其CH₄生产效率高达7.92 mmol g⁻¹，纯度超99.9999%。理论模拟揭示了孔径与几何构型对吸附选择性的调控机制，穿透实验和循环测试验证了材料的实际应用潜力。

研究背景
1.行业问题：
1) 天然气中CH₄的纯度直接影响燃烧效率和储存安全，但开采时混有C₂H₆（10%）、C₃H₈（5%）等杂质。
2) 现有低温蒸馏法能耗高、操作复杂，而传统吸附材料对C₂H₆/CH₄选择性低，限制CH₄生产效率。
2.研究现状：
1) 金属有机框架（MOFs）因可调孔隙结构被用于气体分离，但多数材料在低压区（5-10 kPa）对C₂H₆/C₃H₈吸附能力不足。
2) 现有研究多关注C₃H₈/CH₄选择性，忽视C₂H₆/CH₄分离，导致CH₄产率受限。
3.本文创新：
1) 提出通过氨基功能化调控MOF孔径（5.4 Å）和化学环境，增强C₂H₆与孔壁的C–H···π和C–H···N相互作用。
2) 首次实现C₂H₆/CH₄选择性突破，并优化C₂H₆与C₃H₈穿透时间同步性，提升分离效率。

实验与分析
1.材料合成：通过溶剂热法合成CuIn(ina)₄（配体：异烟酸）和CuIn(3-ain)₄（配体：3-氨基异烟酸）。
2. 结构表征：
BET比表面积：CuIn(ina)₄（472 m² g⁻¹）和CuIn(3-ain)₄（429 m² g⁻¹）。孔径分布：CuIn(3-ain)₄孔径缩小至5.4 Å（H-K法），适合C₂H₆（4.4 Å）选择性吸附。
3.性能测试：
1) 吸附能力：CuIn(3-ain)₄在5 kPa下C₃H₈吸附量达2.92 mmol g⁻¹，10 kPa下C₂H₆为2.71 mmol g⁻¹，优于多数MOFs。
2) 选择性：C₂H₆/CH₄的IAST选择性为99（100 kPa），C₃H₈/CH₄选择性达945，均为同类材料最高值。
3) 穿透实验：三元混合气（CH₄/C₂H₆/C₃H₈ = 85/10/5）中，C₂H₆与C₃H₃穿透时间接近（27 min g⁻¹），CH₄纯度超99.9999%。
4.机理分析：
1) 理论计算：GCMC模拟显示C₂H₆优先吸附于氨基修饰的狭窄孔道，通过C–H···N（3.17 Å）和C–H···π（3.10–3.15 Å）相互作用增强亲和力。
2) 动力学：CuIn(3-ain)₄对C₂H₆的初始吸附速率（0.54 mmol g⁻¹ s⁻¹）高于C₃H₈（0.46 mmol g⁻¹ s⁻¹），结合热力学与动力学协同提升分离效率。

总结
1.CuIn(3-ain)₄创C₂H₆/CH₄选择性记录（99），CH₄生产效率达7.92 mmol g⁻¹，纯度超99.9999%。
2.首次通过氨基功能化调控孔道化学环境，实现C₂H₆/C₃H₈同步穿透，突破“短板效应”。
3.为天然气高效纯化提供新材料设计策略，推动MOFs在工业气体分离中的应用。

Pore-structure control in bimetallic coordination networks for natural gas purification with record C₂H₆/CH₄ selectivity
文章作者：Li-Ping Zhang, Yi-Tao Li, Yu Jiang, Run-Yuan Jiang, Shuang Ni and Qing-Yuan Yang
DOI：10.1039/d5qi00316d
链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/qi/d5qi00316d

本文为科研用户原创分享用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。