物質學院章躍標課題組研發高效純化天然氣的碳捕集新概念材料

發布時間2024-04-26文章來源 物質科學與技術學院作者責任編輯劉玥

面向“雙碳”能源發展戰略的需求,碳捕集、利用與封存是實現低碳減排的重要手段。而燃燒前碳捕集技術則是天然氣純化、運輸和高效使用的關鍵。沸石咪唑框架(ZIF)是由四面體金屬中心和咪唑有機配體構筑具有沸石網絡結構的晶態多孔材料,在工業氣體的分離純化、碳捕集、氣體吸附等方面具有廣闊的應用前景。然而,ZIF材料的本征結構柔性在高壓氣體吸附過程中表現出的動態響應行為往往限制其分離純化性能,是ZIF材料在CO2/CH4變壓吸附分離應用的關鍵挑戰。

為解決這一問題,上??萍即髮W物質科學與技術學院章躍標課題組開展了一系列研究。課題組此前提出的“官能團鎖定”策略能夠有效抑制高壓吸附下的框架柔性,但其吸附選擇性和工作容量之間仍存在博弈關系。近期,研究人員進一步提出了“逐級結構鎖定”策略以平衡分離選擇性和工作容量,從而增強該類材料的天然氣純化性能。該研究成果近期發表于國際學術期刊《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society, JACS)。

研究人員采用具有四面體Zn(II)金屬中心和菱沸石(GME)柔性網絡的ZIF-78,在不同活化溫度條件下成功分離了三種結構鎖定異構體;通過單晶結構分析和第一性原理計算發現逐級結構鎖定的分子機制是由兩個相近雙六元環配體之間從π-π堆積作用過渡到C-H···O氫鍵作用,協同誘導晶體結構發生逐級收縮;通過框架從柔性到剛性轉變的多級調控,在高壓CO2/CH4氣體動態吸附穿透突破實驗中實現最佳的CO2吸附工作容量和CH4純化產率。該成果為通過反轉框架柔性提升多孔材料實際分離性能的研究提供了分子層次和能量定量的新科學內涵,有望為天然氣純化提供關鍵的碳捕集技術,助力天然氣能源綠色轉型和節能減排。

 

圖1. 通過活化溫度誘導逐級結構鎖定以實現ZIF-78結構剛性和孔隙率的平衡,及其氣體吸附、高壓CO2/CH4吸附穿透曲線和甲烷純化差率的比較。

 

上??萍即髮W物質學院2021級博士研究生徐彤彤為本項成果的第一作者,常任副教授章躍標為唯一通訊作者,上科大為第一完成單位。

論文標題:Popping and Locking: Balanced Rigidity and Porosity of Zeolitic Imidazolate Frameworks for High-Productivity Methane Purification

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c00045