碳语新材：解析MOFs在沼气提纯中的“定制化”潜力与精准调控

图1. MOF在甲烷分离纯化的工业化应用

然而，原始沼气中高达30%~40%的CO2含量严重降低了其能量密度。此外，CH4的全球变暖潜势（GWP）是CO2的21倍，通过提纯捕获CH4，能有效防止其无组织排放，对减缓气候变化具有重要意义。

图2. 多组分气体分离示意图

MOFs被称为“分子建筑师”笔下的杰作，是由无机金属节点与有机桥联配体自组装形成的晶态多孔材料。相比活性炭、沸石等传统材料，MOFs具有以下核心优势：

• 高孔隙率：通常高达55%~80%。

• 比表面积大：常规可超过3000 m2/g。

• 结构可调控：孔径可在纳米尺度精确调节。

• 表面易修饰：能够通过引入特定官能团增强选择性。

在高压条件下，MOFs的气体捕获能力可达沸石等同类材料的3倍以上，并且广东碳语新材料开发的MOFs吸附颗粒，还可以在常压下实现甲烷/氮气与甲烷/二氧化碳的有效分离，相较于加压分离大幅降低了能耗和设备要求，工业化应用潜力巨大[2]。

图3. MOFs的应用优势

图4. 三种气体分离机制示意图

为了进一步提升MOFs在沼气纯化中的表现，研究者们开发了多种精密的优化策略[3]。一种非常有效的手段是引入“开放金属位点”（Open Metal Sites，OMS），即通过脱除金属节点上结合的溶剂分子，暴露出的不饱和配位金属中心具有极高的电荷密度。这些位点能与极性分子二氧化碳产生强烈的吸引力，典型的例子如Mg-MOF-74，它拥有极高密度的镁离子中心，其动态二氧化碳捕获容量可达8.9 wt%，明显优于传统的NaX沸石[4]。此外，官能团修饰也是一种常用策略，在有机配体上接枝特定的官能团，利用类似化学吸收的酸碱相互作用或氢键来增强对极性分子CO2的吸附。例如，在有机配体上接枝氨基（-NH2），利用类似化学吸收剂的酸碱相互作用来增强二氧化碳的吸附强度，氨基化MOF在选择性上有了极大的提升，显著增强了复杂组分下的分离效率。更有挑战性的策略还包括外框架阳离子交换/掺杂，如引入锂离子（Li-doping），通过增强静电势来提升对混合气体中二氧化碳分子的诱导偶极作用，从而在低CO2分压下也能实现优异的选择性[5]。

从实验室的精密调控到大规模的工业应用，MOFs正在重新定义绿色能源的提纯效率。展望未来，高性能吸附材料将成为实现能源可持续发展的重要支柱。

[1]. Metal–organic frameworks for upgrading biogas via CO2 adsorption to biogas green energy, Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 9304.

[2]. Metalorganic framework-based composites for biogas and natural gas uptake: An overview of adsorption and storage mechanisms of gaseous fuels. Chem. Eng. J. 2023, 478, No. 147302.

[3]. Methane and Hydrogen Storage in Metal Organic Frameworks: A Mini Review. J. Earth Environ. Sci. 2020, 2, 56？68.

[4]. First-Principles study on CO, CO2 and CH4 capture on Mg-MOF-74, Physica B: Condensed Matter, 2025, 705, 417071.

[5]. Amine-functionalized MIL-101 sorbents modified with alkali metal cations for enhanced CO2 capture and electroreduction conversion, Chem. Eng. J. 2025,515, 163668.