面向“双碳”能源发展战略的需求，碳捕集、利用与封存是实现低碳减排的重要手段。而燃烧前碳捕集技术则是天然气纯化、运输和高效使用的关键。沸石咪唑框架（ZIF）是由四面体金属中心和咪唑有机配体构筑具有沸石网络结构的晶态多孔材料，在工业气体的分离纯化、碳捕集、气体吸附等方面具有广阔的应用前景。然而，ZIF材料的本征结构柔性在高压气体吸附过程中表现出的动态响应行为往往限制其分离纯化性能，是ZIF材料在CO2/CH4变压吸附分离应用的关键挑战。
为解决这个问题，上海科技大学物质科学与技术学院章跃标课题组开展了一系列研究。此前提出的“官能团锁定”策略能够有效抑制高压吸附下的框架柔性（Chem. Mater. 2023, 35, 490），但是其吸附选择性工作容量和之间仍存在博弈关系。近期，章跃标课题组进一步提出了“逐级结构锁定”策略以平衡分离选择性和工作容量，从而增强该类材料的天然气纯化性能。该研究成果近期发表于国际知名学术期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）。
研究人员采用具有四面体Zn(II)金属中心和菱沸石（GME）柔性网络的ZIF-78在不同活化温度条件下成功分离了三种结构锁定异构体；通过单晶结构分析和第一性原理计算发现逐级结构锁定的分子机制是由两个相近双六元环配体之间从π-π堆积作用过渡到C-H···O氢键作用，协同诱导晶体结构发生逐级收缩；通过框架从柔性到刚性的转变的多级调控，在高压CO2/CH4气体动态吸附穿透突破实验中实现最佳的CO2吸附工作容量和CH4纯化产率。该成果为通过反转框架柔性提升多孔材料实际分离性能的研究提供了分子层次和能量定量的新科学内涵，有望为天然气纯化提供关键的碳捕集技术，助力天然气能源绿色转型和节能减排。
图1. 通过活化温度诱导逐级结构锁定以实现ZIF-78结构刚性和孔隙率的平衡，及其气体吸附、高压CO2/CH4吸附穿透曲线和甲烷纯化差率的比较。