天然气主要由甲烷（CH₄）组成，因其能量密度高且碳排放量相对较低，被视为重要的战略能源以及化石燃料的清洁替代能源。为了达到工业应用和民用燃料标准，管道天然气中的乙烷（C₂H₆）、丙烷（C₃H₈）和微量水等杂质必须在运输和使用前彻底去除。然而，微量水的存在往往会对气体分离过程产生显著影响：一方面，水分子会竞争吸附位点，导致吸附剂性能急剧衰减；另一方面，多数金属有机框架材料（MOFs）在水分子作用下会发生金属节点水解或配体-金属键断裂，进而引发多孔材料结构坍塌。

图1. 水缓冲功能MOFs材料结构转变示意图。

基于此，中国科学院福建物质结构研究所吴明燕研究员团队成功设计并合成了一种具有水缓冲功能的MOFs材料。该材料在水分子吸附/脱附过程中表现出独特的单晶-单晶可逆结构转变特性，使其在潮湿环境下仍能维持优异的分离性能。通过单晶X射线衍射分析发现，水合相FJI-W101a与脱水相FJI-W101b之间可通过金属节点配位水的可逆得失，实现二维层状结构与三维框架结构的动态转换。虽然FJI-W101a与FJI-W101b具有不同的结构，但两者均对体积较大的C₃H₈和中等尺寸的C₂H₆分子表现出显著的选择性吸附能力，而对CH₄的吸附量却很低。该材料的独特性能使其适用于潮湿环境下的管道天然气纯化。突破分离实验表明，即使在100%相对湿度条件下，FJI-W101b仍能高效分离CH₄/C₂H₆/C₃H₈（85/7.5/7.5,v/v）三元气体混合物，并以7.2 mmol·g⁻¹的高产率获得高纯度CH₄。此外，通过程序升温调控，研究人员开展了一系列原位吸附和突破分离实验，证实了水合相FJI-W101a在潮湿环境下对C₂H₆和C₃H₈同样具有优异的吸附分离能力。经原位加热活化，FJI-W101a可完全转化为FJI-W101b，突破分离实验表明其分离性能与新鲜制备的材料一致，验证了此类水缓冲材料用于天然气纯化的可行性。

图2. 水缓冲功能MOFs材料优异的吸附分离性能。

同时，FJI-W101a与FJI-W101b具有良好的结晶性，可以通过单晶X射线衍射分析捕获在孔道中的客体分子结构，精确地揭示孔道结构对C₂H₆和C₃H₈分子的选择性吸附作用。这项工作为开发具有可逆水缓冲性能的新型多孔气体分离材料提供了新思路。

图3. 分别吸附乙烷和丙烷气体分子的晶体结构分析。

相关研究成果以“Reversible Trace-water-buffering Frameworks for Efficient Humid Methane Purification”为题发表于《Angew. Chem. Int. Ed.》。中国科学院福建物质结构研究所陈城项目研究员为本文第一作者，吴明燕研究员为本文的通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金、中国科学院B类先导专项、结构化学全国重点实验室自主部署项目、中国科学院海西研究院“前瞻跨越”计划“杰出青年”项目、中国福建光电信息科学与技术创新实验室（闽都创新实验室）主任基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202510669

（吴明燕课题组供稿）