研究论文

可宏量制备的层叠配位聚合物用于CH4/N2分离

  • 刘璐 ,
  • 赵砚珑 ,
  • 白薛峰 ,
  • 张鑫 , * ,
  • 李建荣 , *
展开
  • 北京工业大学 化工系 材料循环低碳再生全国重点实验室 北京 100124

★“框架材料化学”专辑

收稿日期: 2026-02-03

  网络出版日期: 2026-03-18

基金资助

国家自然科学基金(22225803)

国家自然科学基金(22522801)

国家自然科学基金(22278011)

Efficient CH4/N2 Separation in a Scalable Stacked Coordination Polymer

  • Lu Liu ,
  • Yan-Long Zhao ,
  • Xuefeng Bai ,
  • Xin Zhang , * ,
  • Jian-Rong Li , *
Expand
  • State Key Laboratory of Materials Circulation and Low-Carbon Regeneration and Department of Chemical Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

★ For the VSI “Chemistry of Framework Materials”.

Received date: 2026-02-03

  Online published: 2026-03-18

Supported by

National Natural Science Foundation of China(22225803)

National Natural Science Foundation of China(22522801)

National Natural Science Foundation of China(22278011)

摘要

煤层气中甲烷/氮气的高效分离是提升清洁能源利用率、减少温室气体排放的关键举措. 本研究筛选出一例一维层叠配位聚合物吸附剂材料(Mn-DHBQ), 在298 K和0.1 MPa下有较高的CH4吸附量(1.10 mmol•g−1)和CH4/N2选择性(5.82). 在动态穿透实验中, 可以实现CH4/N2的高效分离. 此外, 该材料可由廉价商品化原料在水溶液中高效规模化合成, 结构与分离性能与小规模合成的材料保持一致, 具有良好的应用前景.

本文引用格式

刘璐 , 赵砚珑 , 白薛峰 , 张鑫 , 李建荣 . 可宏量制备的层叠配位聚合物用于CH4/N2分离[J]. 化学学报, 2026 , 84(5) : 638 -642 . DOI: 10.6023/A26020042

Abstract

Efficient separation of CH4/N2 mixtures is important for the upgrading and utilization of coalbed methane, because the high N2 content in raw gas markedly lowers its calorific value and restricts its direct use as a fuel or chemical feedstock. Adsorptive separation under mild conditions is considered a promising alternative to energy-intensive cryogenic distillation; however, the development of adsorbents that combine competitive CH4/N2 separation performance with scalable, low-cost, and green synthesis remains challenging. Herein, we report a layered manganese-based coordination polymer, Mn-DHBQ, as a promising adsorbent for CH4/N2 separation. Mn-DHBQ was synthesized from manganese acetate tetrahydrate and 2,5-dihydroxy-p-benzoquinone in pure water at room temperature using inexpensive and commercially available precursors. Structurally, Mn-DHBQ is composed of one-dimensional coordination chains that are further stacked through intermolecular hydrogen bonding to form a quasi-three-dimensional supramolecular microporous network. Powder X-ray diffraction confirmed the phase purity and crystallinity of the as-synthesized material, while N2 sorption at 77 K gave a BET surface area of 428.7 m2•g−1. Gas adsorption measurements showed that Mn-DHBQ adsorbs CH4 much more strongly than N2. At 298 K and 0.1 MPa, the CH4 uptake reaches 1.10 mmol•g−1, whereas the N2 uptake is only 0.27 mmol•g−1. The corresponding IAST CH4/N2 (V/V, 50/50) selectivity is 5.82 at 298 K. Virial analysis further revealed a higher isosteric heat of adsorption for CH4 (28.85 kJ•mol−1) than for N2 (10.59 kJ•mol−1), indicating a substantially stronger affinity of the framework toward CH4. Dynamic breakthrough experiments using an equimolar CH4/N2 mixture at 298 K and 0.1 MPa demonstrated clear separation behavior, with N2 eluting rapidly and CH4 breaking through at 10.2 min•g−1; the dynamic CH4 uptake reached 0.46 mmol•g−1, close to the equilibrium uptake at the corresponding partial pressure. In a single adsorption-desorption cycle, the CH4 concentration could be enriched to above 98.9%, and stable separation performance was maintained over three cycles. Importantly, Mn-DHBQ was further synthesized on a 1000-fold larger scale in water within 8 h, affording about 0.21 kg product with a space-time yield of 63 kg•m−3•d−1. The scaled-up sample retained comparable crystallinity, porosity, morphology, and CH4/N2 breakthrough performance to the mg-scale material. These results indicate that Mn-DHBQ is a promising and practically relevant adsorbent for CH4 enrichment and coalbed methane upgrading.

1 引言

甲烷(CH4)作为天然气、煤层气和沼气的主要组成成分, 是21世纪主要的高效清洁能源之一[1]. 与石油开采和沼气中产生高浓度且稳定的甲烷不同, 煤层气中的甲烷含量通常较低. 因此, 出于安全考虑, 通常会被直接排放到空气中. 这不仅会造成能源的浪费, 还会加剧全球气候变暖的进程[2-3]. 通过甲烷/氮气分离富集煤层气中的甲烷浓度, 是提升清洁能源利用率、减少温室气体排放的关键举措. 工业上主流的低温精馏技术因涉及相变过程而能耗较高. 因此, 开发效率高、能耗低的CH4/N2分离技术具有重要意义.
吸附剂分离技术[4-6]由于具有能耗低、操作灵活等优势, 有望在部分场景下替代传统低温精馏. 该技术的核心在于高效吸附剂的开发. 由于CH4和N2两种气体分子的动力学直径尺寸相近(甲烷: 0.38 nm; 氮气: 0.36 nm)[7], 且极化率低, 实现甲烷与氮气的高效分离极具挑战性. 金属-有机框架(Metal-Organic Frameworks, MOFs)材料作为一类新型多孔材料, 可在分子尺度上进行精准结构设计, 孔道尺寸、形状与化学环境可精细调控, 成为理想的吸附剂设计平台, 在多个分离体系中展现出卓越的性能[8-14]. 针对CH4/N2分离, MOFs吸附剂目前已经进行了探索, 部分吸附剂如: ATC-Cu, Co-Ni-DBACO, Co-Ni(pyz-NH2), CAU-21等表现出优异的吸附性能, 主要归因于开放金属位点(OMS)与限域强化效应[15-19]. 然而, 大部分MOFs材料合成前驱体较为昂贵, 合成规模小, 限制了其实际应用能力[20-21].
本研究基于廉价易得的前驱体筛选出一例兼具优异CH4吸附量和CH4/N2分离选择性的一维锰基配位聚合物. 该材料凭借独特的分子链间氢键网络, 层叠成类“3D”超分子微孔网络结构, 对CH4分子具有选择性吸附性能. 同时, Mn-DHBQ的合成原料成本低廉, 反应条件温和绿色, 在室温下可实现规模化制备, 是一种极具工业化潜力的吸附材料.

2 结果与讨论

以四水合乙酸锰和2,5-二羟基对苯醌为原料, 在室温下, 水溶剂中合成棕色粉末状Mn-DHBQ(具体合成条件见支持信息). 在所合成的Mn-DHBQ晶体结构中, 每个Mn2+ 与来自两个H2dhbq配体中四个O原子配位以形成一维线性链. Mn-DHBQ相邻一维配位链之间通过配体上的氧与配位水分子之间的O—H…O氢键作用紧密堆积, 形成类3D超分子网络结构(图1a1b), 该结构移除配位水分子后, 潜在孔道为长方形, 尺寸为0.35 nm×0.32 nm, 与甲烷动力学尺寸接近, 由于一维配位聚合物的溶胀效应, 孔道尺寸可在小范围内自适应调整, 实现有效甲烷分子吸附与限域结合. Mn-DHBQ以纯水作为溶剂在室温条件下合成. 产物的结晶度以及相纯度经粉末X射线衍射图谱(PXRD)证实(图2a). 该材料置于潮湿环境中24 h后, 结晶度略有下降, 经过干燥活化后结晶度恢复(图2a), 因此湿度下结晶度下降可能是吸水导致, 材料本身水稳定性优异. 经脱气活化后样品峰形变宽, 形貌发生改变, 但PXRD图谱变化不大, 表明晶体结构基本保持(图2a和支持信息图S10c, S10d). 77 K氮气吸附测试表明, Brunauer-Emmett-Teller (BET)比表面积为428.7 m2•g−1, 与文献报道值接近[22](见图2b).
图1 (a) Mn-DHBQ的3D网络结构; (b) Mn-DHBQ的一维链结构; (c) Mn-DHBQ脱除水后的的孔道结构

Figure 1 (a) 3D network structure of Mn-DHBQ; (b) 1D chain structure of Mn-DHBQ; (c) Channel structure of Mn-DHBQ after dehydration

C: gray; O: red; Mn: purple; H: cyan

图2 (a)不同制备方法或处理后的Mn-DHBQ样品PXRD图谱; (b) Mn-DHBQ和放大制备样品在77 K条件下的N2吸附等温线; (c) 298 K条件下CH4和N2吸附等温线; (d) Mn-DHBQ在273 K和298 K条件下对CH4/N2 (V/V, 50/50)的IAST选择性

Figure 2 (a) PXRD Patterns of Mn-DHBQ samples prepared under different conditions; (b) N2 adsorption isotherms at 77 K of Mn-DHBQ samples synthesized in different scales; (c) CH4 and N2 adsorption isotherms at 298 K; (d) IAST selectivity of Mn-DHBQ for CH4/N2 (V/V, 50/50) at 273 K and 298 K

为了探索Mn-DHBQ的分离性能, 我们首先利用静态容量法测定了273 K和298 K两个不同温度条件下, CH4和N2分子的吸附等温线(图2c和支持信息图S1). 结果表明: Mn-DHBQ对CH4分子有较高的吸附容量, 在298 K和0.1 MPa条件下, 对CH4的吸附量可达1.10 mmol•g−1, 远高于同条件下N2分子的吸附量(0.27 mmol•g−1). 通过IAST方法计算得到Mn-DHBQ对CH4/N2的选择分离性可到5.82(图2d, 支持信息表S1), 接近或高于已报道的基准材料: ATC-Cu (9.7)[15], UiO-66-Br2 (5.1)[23], MIL-101 (5.0)[24], Cu-BTC (3.7)[25], ZIF-8 (3.2)[26], MOF-74 (1.92)[27](具体数据见支持信息表S1). 随后, 通过维里方程拟合298 K和273 K吸附数据, 对该材料的吸附等量热(Qst)进行计算, 发现Mn-DHBQ在298 K下对CH4的吸附热为28.85 kJ•mol−1, 远高于N2的吸附热10.59 kJ•mol−1 (支持信息图S2~S7和表S2).
与未脱气活化样品(含配位水分子)相比, 活化后的Mn-DHBQ因失去了链间的氢键作用, 其堆积结构发生了旋转与扭曲, 导致材料局部无序度增加, 进而形成了可供特定吸附质分子进入的孔道入口[22,28-30]. 为进一步研究CH4和N2分子与Mn-DHBQ之间的相互作用机理, 我们进行了密度泛函理论(DFT)计算, 以确定吸附位点和结合能. 如图3所示, CH4分子与Mn-DHBQ之间主要存在C—H…O弱氢键作用(O—H距离0.274~0.280 nm). N2分子与框架原子间形成弱范德华作用力(N—O距离0.343 nm). DFT计算所得CH4、N2分子与Mn-DHBQ的结合能分别为-19.90和-8.077 kJ•mol−1, 与实验测定的吸附热规律一致.
图3 (a) Mn-DHBQ中CH4分子吸附作用位点; (b) Mn-DHBQ中N2分子吸附作用位点

Figure 3 (a) CH4 adsorption sites in Mn-DHBQ; (b) N2 adsorption sites in Mn-DHBQ

C: gray; O: red; Mn: purple; N: yellow; H: cyan

为评估Mn-DHBQ对于CH4/N2混合气体的动态分离性能, 我们进行了穿透分离实验. 在298 K和0.1 MPa条件下, 以CH4/N2体积配比为50/50、流速为2 mL•min−1的混合气体, 在装填Mn-DHBQ材料的穿透柱中, 测定穿透曲线. 如图4a所示, N2在穿透测试开始后很快穿出吸附柱, 表明Mn-DHBQ对N2吸附量很低, 与其较低的静态吸附量吻合. 随后, CH4在10.2 min•g−1开始穿出, 其动态吸附量计算为0.46 mmol•g−1, 这一数值与298 K和0.05 MPa条件下的静态吸附量高度接近(支持信息图S8).
图4 (a) 298 K条件下, Mn-DHBQ对等体积CH4/N2混合气体穿透曲线; (b) 298 K, Mn-DHBQ对等体积CH4/N2混合气体穿透进行三次循环; (c) Mn-DHBQ放大制备; (d) 298 K, 不同条件制备的Mn-DHBQ对CH4/N2穿透曲线图

Figure 4 (a) Breakthrough curves of the equal-volume CH4/N2 on Mn-DHBQ at 298 K; (b) Breakthrough curves of the equal-volume CH4/N2 gas mixture on Mn-DHBQ were performed for three cycles at 298 K; (c) Scale-up synthesis of Mn-DHBQ; (d) Breakthrough curve of CH4/N2 on Mn-DHBQ prepared under different conditions at 298 K

从穿透曲线中可以清晰看出, Mn-DHBQ对N2的共吸附很少. 并通过对其进行单次吸附-脱附循环, 可将CH4分子的浓度富集到98.9%以上, 实现甲烷的高效提纯.
在循环再生过程中, 样品结晶度和晶相均没有发生明显改变, 循环再生能力优异(图2a). 在三次吸脱附循环实验中, 该材料对CH4/N2的吸附容量和分离性能基本不变, 展现出优异的循环稳定性(图4b和支持信息图S9).
推动吸附剂的化工分离应用, 绿色规模化合成方法十分重要[31-32], 但MOF材料合成通常在毫克级别, 且在制备过程中通常使用有毒有害的有机溶剂, 规模化合成难度较大. 我们通过优化反应条件, 使用纯水作为溶剂, 在室温条件下仅需8 h即可成功实现Mn-DHBQ的规模化制备(较小批量合成扩大了1000倍, 产量约0.21 kg), 时空产率(STY)可达63 kg•m−3•d−1(图4c). 粉末X射线衍射(PXRD)、77 K N2吸附实验显示: 规模化制备的Mn-DHBQ样品结晶度、孔体积和形貌与小规模合成样品基本一致(图2a, 2b). 但从SEM图中可以看到, 规模化制备的样品, 粒径更小(支持信息图S10a, S10b). 动态穿透实验结果表明, 规模化制备的样品相对于小批量制备的样品对CH4/N2的分离性能没有明显差别(图4d), 经脱气活化后样品的SEM图谱显示, 两者形貌均发生改变, 尺寸基本一致(支持信息图S10c, S10d), 这表明新合成的样品粒径变化对于该实验体系没有明显影响. 综上, Mn-DHBQ材料成功实现了“规模化量产”与“高性能稳定”的双重目标, 是一类极具应用前景的CH4/N2吸附分离材料.

3 结论

本研究以配位化学为核心设计导向, 成功筛选并制备出Mn-DHBQ材料. 在静态单组分吸附等温线和动态混合气体分离实验中, Mn-DHBQ表现出优异的CH4/N2的分离性能. 该材料不仅综合分离性能出色, 还可利用廉价易得的商品化原料, 在水溶剂中高效合成, 放大制备的样品性能与小规模合成的样品基本一致, 为其工业应用奠定了基础, 凸显了柔性框架材料在高难度气体分离场景中的应用潜力.
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