天然氣主要由甲烷（CH4）組成，因其能量密度高且碳排放量相對較低，被視為重要的戰(zhàn)略能源和化石燃料的清潔替代能源。為了達到工業(yè)應(yīng)用和民用燃料標(biāo)準(zhǔn)，管道天然氣中的乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）及微量水等雜質(zhì)需在運輸和使用前徹底去除。微量水的存在通常會對氣體分離過程產(chǎn)生影響：一方面，水分子會競爭吸附位點，導(dǎo)致吸附劑性能急劇衰減；另一方面，多數(shù)金屬有機框架材料（MOFs）在水分子作用下會發(fā)生金屬節(jié)點水解或配體-金屬鍵斷裂，進而引發(fā)多孔材料結(jié)構(gòu)坍塌。

　　針對上述問題，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員吳明燕團隊設(shè)計并合成了一種具有水緩沖功能的MOFs材料。該材料在水分子吸附/脫附過程中表現(xiàn)出獨特的單晶-單晶可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變特性，使其在潮濕環(huán)境下仍能維持優(yōu)異的分離性能。研究人員通過單晶X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，水合相FJI-W101a與脫水相FJI-W101b之間可通過金屬節(jié)點配位水的可逆得失，實現(xiàn)二維層狀結(jié)構(gòu)與三維框架結(jié)構(gòu)的動態(tài)轉(zhuǎn)換。雖然FJI-W101a與FJI-W101b具有不同的結(jié)構(gòu)，但兩者均對體積較大的C3H8和中等尺寸的C2H6分子表現(xiàn)出顯著的選擇性吸附能力，且均對CH4的吸附量相對較低。

　　同時，該材料的獨特性能使其適用于潮濕環(huán)境下的管道天然氣純化。突破分離實驗表明，在100%相對濕度條件下，F(xiàn)JI-W101b仍可高效分離CH4/C2H6/C3H8（85/7.5/7.5，v/v）三元氣體混合物，并以7.2mmol·g?¹的高產(chǎn)率獲得高純度CH4。進一步，研究人員通過程序升溫調(diào)控開展了一系列原位吸附和突破分離實驗，證實了水合相FJI-W101a在潮濕環(huán)境下對C2H6和C3H8同樣具有優(yōu)異的吸附分離能力，且經(jīng)原位加熱活化，F(xiàn)JI-W101a可完全轉(zhuǎn)化為FJI-W101b。突破分離實驗表明，其分離性能與新鮮制備的材料一致，驗證了此類水緩沖材料用于天然氣純化的可行性。此外，F(xiàn)JI-W101a與FJI-W101b具有良好的結(jié)晶性，可通過單晶X射線衍射分析捕獲在孔道中的客體分子結(jié)構(gòu)，精確地揭示孔道結(jié)構(gòu)對C2H6和C3H8分子的選擇性吸附作用。

　　該研究為開發(fā)具有可逆水緩沖性能的新型多孔氣體分離材料提供了新思路。

　　近期，相關(guān)研究成果以Reversible Trace-water-buffering Frameworks for Efficient Humid Methane Purification為題，發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院等的支持。