第一作者：聂洪想
通讯作者：常泽教授
通讯单位：南开大学
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2025年9月2日，南开大学卜显和院士、常泽教授团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Exceptional SF6/N2 Separation of Metal-Organic Frameworks by Overcoming the Capacity-Selectivity Trade-Off via Ligand Engineering”的研究论文，该研究采用配体工程策略，通过使用结构相似的四羧酸配体进行等网状化学合成，构筑了一系列Al-MOFs，实现了系统且精确的孔径优化与表面功能化，从而增强了SF₆的结合亲和力，以实现SF₆与N₂的高效分离。化合物4在低压下表现出高SF₆吸附量（10kPa时为55cm3/g⁻¹）和高SF₆/N₂选择性（选择性为512），优于目前大多数已报道的MOFs材料。此外，DFT计算证实了SF6高效捕获机制，动态穿透显示了Al-MOFs的实际分离效果，该工作突显了MOF中孔工程在克服选择性-吸附量权衡方面的潜力，为SF₆管理提供了可持续解决方案。
背景介绍
六氟化硫（SF₆）因其优异的绝缘和介电强度特性而被广泛应用于电力工业以及半导体工业领域。然而，SF₆也被认定为最强效的温室气体，其全球变暖潜能（GWP）在100年内是CO₂的23900倍，且在大气中的存留时间超过3400年。随着工业对SF₆需求的快速增长，全球SF₆平均浓度在过去三十年中显著上升，对生态系统构成不可逆转的威胁。因此，从经济和环境角度来看，SF₆的有效捕获与利用至关重要。在SF₆的工业回收过程中，低温蒸馏是目前用于从SF₆-N₂混合物中分离SF₆的主要技术。传统的热驱动分离方法（如低温蒸馏和液化）因其高能耗和不利环境影响而备受关注。这凸显了探索低能耗、可持续的非热分离与纯化方法的必要性。
利用多孔材料的物理吸附为SF6捕获提供了一种有前景的替代方案。该方法因其较低能耗和较小环境影响而具有显著优势。然而，尽管传统吸附剂表现出高稳定性，但其低吸附容量和较差分离选择性限制了其在SF6/N2分离中的应用性能。相比之下，MOFs因其高比表面积和可调孔结构，能够与气体分子产生强静电相互作用，成为气体分离的理想候选材料。这些特性使MOFs特别适用于基于物理吸附的SF6捕获。研究表明，孔径、孔形状和孔表面环境等多个因素显著影响MOFs的气体捕获性能。通常，吸附容量与分离选择性之间存在权衡关系。因此，优化MOFs的SF6捕获效率需同时提升容量和选择性，这是一个关键且具有挑战性的目标。
本文亮点
1. 通过配体工程策略调节MOFs的孔尺寸和表面环境，以增强框架与气体分子之间的相互作用力。
2. SF6/N2选择性从55增至512，增幅达近十倍；同时，其低压吸附容量从17.5 cm³/g增至55 cm³/g，超越了大多数已报道的金属有机框架材料。
3. DFT计算结果表明，Al-MOFs的优异性能归因于SF6与高度匹配框架之间的超分子相互作用。
4. 合成的Al-MOFs在高湿度条件下能从SF₆/N₂混合物中高效回收高纯度SF₆，并在多次循环中展现出卓越的稳定性。
5. 突显了MOF孔工程在克服选择性与吸附量之间权衡的潜力，为SF₆管理提供了一种可持续的解决方案。
图文解析
图1. (a)系列Al-MOFs的组成。(b)-(e)化合物1、2、3和4的孔隙结构分别显示了两种类型的通道，孔隙A和孔隙B，以及通过考虑原子的范德华半径计算出的孔径。
图2. (a)77K下的N2吸附和脱附等温线。(b)-(e)化合物1、2、3和4在298K下的SF6和N2吸附和脱附等温线。(f)基于不同温度下化合物1、2、3和4对于SF6吸附热。(g)化合物1、2、3和4与已报道材料在低压区的SF6吸附量比较。(h)在100 kPa和298K下，化合物1-4与已报道的MOFs对10/90 SF6/N2混合物的IAST选择性比较。
图3. 基于DFT计算的SF6和N2在化合物1(a和d)、化合物2(b和e)以及化合物4(c和f)中优化后的气体分子结合位点的比较。
图4. 在298K和100 kPa条件下化合物1、2和4的突破实验研究。(a)在298K和100kPa条件下，化合物1对二元SF6/N2（10/90，体积比）混合物进行分离；(b)在298K和100kPa条件下，化合物2对二元SF6/N2(10/90，体积比)混合物进行分离；(c)在298K和100kPa条件下，化合物4对SF6/N2(10/90，体积比)混合物进行分离；(d)-(e)分别收集化合物1、2和4在298K条件下水吸附-脱附等温线；(h)至(j)在相对湿度为80%的条件下对10/90 SF6/N2混合物进行动态分离。
图5. (a)-(c)不同实验后化合物1、2和4结构完整性的表征。(d)-(f)穿透实验后化合物1、2和4的SF6吸附量。
总结与展望
总之，该研究通过配体工程策略开发了一系列Al-MOF材料，这些材料表现出显著增强的SF6气体吸附能力以及对SF6/N2混合物的卓越分离性能。该研究阐明，多种超分子相互作用协同稳定吸附SF6，从而实现了优异的SF6吸附量（100kPa下为3.75mmol/g）和优异的SF6/N2选择性（>500），为温室气体分离技术建立了新的候选材料。通过将实验表征与理论模拟相结合，研究人员全面阐明了材料优异性能的内在机制，揭示了孔结构和与气体分子的分子间相互作用在克服选择性与吸附容量之间权衡的关键作用。该研究不仅为高性能气体分离材料的开发提供了新见解，也为推进SF6及其他工业气体的高效分离技术奠定了坚实基础。
期刊：Advanced Functional Materials
题目：Exceptional SF6/N2 Separation of Metal–Organic Frameworks by Overcoming the Capacity-Selectivity Trade-Off via Ligand Engineering
作者：Hong-Xiang Nie, Hong-Wei Chen, Hong-Liang Huang, Li-Bo Li, Jian-Dong Pang, Ze Chang, Xian-He Bu
接受日期:02 September 2025
原文链接: https://doi.org/10.1002/adfm.202518830
