日前，我校仲崇立教授团队在煤层气升级利用领域取得重要进展，相关成果以《Photocatalytic Cascade Nitrogen Fixation for Selective Purification of Methane-Rich Coal-Bed Gas over a Bimetallic MOF》为题发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。天津工业大学为论文第一完成单位和第一通讯单位，我校李健老师为第一作者，仲崇立教授、黄宏亮研究员与南开大学庞建东教授为共同通讯作者。

煤层气是重要的非常规天然气资源，但其中常混有N₂杂质，显著降低热值并增加储运成本。由于N₂与CH₄的动力学直径极为接近，传统深冷精馏依赖两者沸点差，能耗与设备投入巨大。理论上，若能选择性转化N₂为易分离或高值产物而保留CH₄，则可从根本上回避物理分离的局限。然而，N₂分子的N≡N键能（941 kJ·mol^–1）远高于CH₄的C-H键能（440 kJ·mol^–1），且N₂的惰性使其活化在热力学和动力学上均极具挑战（图1）。

图1. 煤层气升级利用的挑战和解决思路

研究团队经过多年研究，构建了钴-镍双金属霍夫曼型MOF（CoNi-PYZ），其中Ni和Co以单原子形式分散，形成空间分离的还原中心（Ni-C₄）与氧化中心（Co-N₅）。该体系驱动级联反应：N₂先在Ni位点还原为NH₃，随后NH₃在Co位点被氧化为NO₃^–，而CH₄因吸附竞争力弱而被抑制氧化。在纯水、无牺牲剂条件下，CoNi-PYZ的NH₄⁺和NO₃^–产率分别达599.8和199.8 μmol·g^–1·h^–1。在CH₄/N₂混合气氛中，CH₄氧化被显著抑制，氮转化产物保持高效生成。该工作首次展示了光催化N₂相对于CH₄的选择性活化与级联转化，为煤层气净化提供了绕过传统物理分离能耗瓶颈的新路径，同时实现了惰性小分子的高值化利用。

该研究工作得到了国家自然科学基金项目、河北省自然科学基金项目等资助和支持。

（审稿：先进分离膜材料材料全国重点实验室 王海涛 编辑：党委宣传部 陈亚桥）

图片来源：先进分离膜材料全国重点实验室