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：王海涛 编辑：张千里）
