低成本一锅法制备纳米多孔酚醛树脂用于天然气中C1-C3轻烃高效CH4纯化

针对天然气中CH4与C1-C3轻烃分离的能源挑战，研究人员通过一锅法缩聚反应，以有机污染物双酚A(BPA)和三(4-羟苯基)乙烷(THE)为单体，构建了羟基富集的纳米多孔酚醛树脂(NPR-OHs)。该材料具有510-821 m2/g的高比表面积和优异稳定性，IAST计算显示其对C3H8/CH4选择性达241.3，为天然气纯化提供了低成本解决方案。

　　

天然气作为重要能源，其核心成分CH₄常与C₂H₆、C₃H₈等轻烃(LHs)及CO₂共存，传统分离技术能耗高且效率低。尽管金属有机框架(MOFs)和共价有机框架(COFs)等材料展现出潜力，但其复杂的合成工艺和高成本制约了工业应用。在此背景下，开发低成本、高稳定性的吸附材料成为研究热点。

为解决这一难题，中国的研究团队创新性地利用环境污染物双酚A(BPA)和1,1,1-三(4-羟苯基)乙烷(THE)作为单体，通过一锅法缩聚反应构建了三种羟基富集的纳米多孔酚醛树脂(NPR-OHs)。该研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、固态核磁共振(SSNMR)、77 K氮气吸附等技术表征材料特性，并通过理想吸附溶液理论(IAST)和突破实验评估分离性能。研究成果发表于《Fuel》，为天然气纯化提供了新思路。

关键技术方法
研究以BPA或THE与对/间苯二甲醛为原料，在甲烷磺酸催化下通过一锅法合成NPR-OHs。通过BET测试获得510-821 m²/g的比表面积，采用DFT分析孔径分布，结合TGA验证材料热稳定性(>384°C)。气体吸附实验在273K/298K下进行，IAST计算选择性参数，并通过分子模拟(Adsorption Locator)揭示吸附机制。

研究结果

2.1 合成与结构表征
通过酸催化缩合反应成功构建三维网络结构，固态¹³C NMR显示72-73 ppm处新生成仲醇碳信号，FTIR证实醛基(1690 cm^-1)消失并形成C-O键(1237 cm^-1)。元素分析显示碳含量达67.78-72.63%，证实高度交联特性。

2.2 形貌与热稳定性
SEM/TEM显示无定形片状形貌与均匀纳米孔道，WAXD证实非晶态结构。TGA表明材料在800°C残炭率>58.9%，DSC显示玻璃化转变温度超过200°C，满足工业应用需求。

2.3 孔隙参数
NPR-OH-1展现最高BET比表面积(821 m²/g)，微孔体积0.13-0.48 cm³/g。DFT分析揭示NPR-OH-2存在0.53 nm超微孔，这种独特的孔径分布为其优异分离性能奠定基础。

2.4 吸附分离行为
在298K/1bar条件下，NPR-OHs对C₃H₈吸附量达1.99-2.95 mmol/g，IAST计算显示C₃H₈/CH₄选择性高达241.3。突破实验证实CH₄最早穿透(7分钟)，而C₃H₈滞留14分钟，验证实际分离效果。分子模拟表明C₃H₈吸附能(?10.54 kJ/mol)显著高于CH₄(?2.97 kJ/mol)。

结论与意义
该研究开创性地将环境污染物转化为功能材料，通过单体空间构型调控实现孔径精确控制。NPR-OHs兼具高比表面积(>500 m²/g)、优异热稳定性和工业化生产潜力，其C₃H₈/CH₄选择性超越多数报道材料(如PAF-40的246)。这项成果不仅为天然气纯化提供了新型吸附剂，也为有机污染物资源化利用开辟了新途径，对能源化工领域具有重要实践价值。