三维超微孔互穿结构COF-300的一锅法合成及其C2 H4 /CH4 高效分离性能研究

【编辑推荐】针对天然气中C2 H4 杂质难以高效分离的难题，研究人员通过一锅法合成具有超微孔（0.52 nm）和互穿结构的三维COF-300（比表面积1066.7 m2 /g）。GCMC模拟与吸附实验证实其对C2 H4 的吸附量（2.0 cm3 /g）是CH4 （0.2 cm3 /g）的10倍，IAST选择性达7.3，突破实验验证其循环稳定性，为工业级CH4 纯化提供新材料。

　　

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天然气作为现代工业体系的核心能源载体，其净化过程面临严峻挑战——原料气中混杂的C₂
H₄
等杂质需经复杂处理才能使用，而传统低温蒸馏技术能耗高、污染大。共价有机框架（COFs）因其可设计的孔道结构和超高比表面积，被视为解决这一难题的"分子筛"候选材料。然而，现有COFs在C₂
H₄
/CH₄
分离领域仍存在选择性不足、合成规模受限等问题。

中国的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表的研究中，通过创新的一锅法策略，成功实现三维超微孔COF-300的克级合成（单批产量1.90 g）。该材料具有0.52 nm的精准孔径和1066.7 m²
/g的BET比表面积，其多重互穿结构为气体分离提供了理想通道。研究采用GCMC模拟预判吸附行为，结合静态吸附测试与动态穿透实验验证性能，并通过DFT计算揭示分子作用机制。

关键实验技术

1. 一锅法合成：在1,4-二氧六环/冰醋酸体系中室温反应24小时
2. 结构表征：PXRD验证晶型与文献匹配（特征峰2θ=8.89°、10.73°）
3. 吸附测试：298 K、0.1 bar条件下测量C₂
   H₄
   /CH₄
   吸附等温线
4. 动态分离：多循环穿透实验（流速10-50 mL/min，湿度30-70% RH）

研究结果

1. 结构表征：红外光谱证实亚胺键形成（1620 cm^-1
   ），N₂
   吸附-脱附曲线显示I型等温线特征，证实超微孔结构。
2. 吸附性能：C₂
   H₄
   吸附热（28.6 kJ/mol）显著高于CH₄
   （18.0 kJ/mol），IAST选择性7.3源于π-π相互作用差异。
3. 动态分离：穿透实验中C₂
   H₄
   保留时间比CH₄
   延长3倍，经10次循环后吸附容量保持率>95%。
4. 机制解析：DFT计算显示框架中苯环与C₂
   H₄
   的吸附能差达10.6 kJ/mol。

结论与意义
该研究首次实现COF-300的规模化合成并系统论证其在C₂
H₄
/CH₄
分离中的优势：①超微孔结构产生分子筛效应；②多重互穿网络增强框架稳定性；③π电子富集孔道提升C₂
H₄
选择性。这项工作为开发工业级天然气纯化材料提供了新思路，其"模拟-合成-验证"的研究范式对多孔材料设计具有普适性指导价值。未来通过调控孔径分布（如0.5-0.7 nm优化）和官能团修饰（如-NH₂
引入），可进一步拓展COFs在C₃
H₆
/CH₄
等体系的应用潜力。