第一作者：闵凡麒
通讯作者：刘庆、梁鹏
研究背景：CH4/N2分离迫在眉睫，技术瓶颈待突破
甲烷（CH4）是全球重要的化石能源，广泛存在于天然气、页岩气、煤层气及可燃冰中，同时也是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，其全球变暖潜能值远超CO₂。然而，甲烷的高效利用面临一大核心难题——CH4与N₂的分离：二者动力学直径（CH4 0.38 nm、N₂ 0.36 nm）和极化率极为接近，常规技术难以高效分离。前主流技术均存局限：深冷蒸馏分离效率高但能耗、成本极高，不适用于低浓度CH4；膜分离操作简便却难兼顾高渗透性与选择性；变温吸附（TSA）能耗高且发展缓慢。相比之下，变压吸附（PSA）因低成本、低能耗、环境友好成最具潜力路径，但其性能高度依赖吸附材料，故开发兼具高吸附容量与选择性的吸附材料，是突破CH4/N₂分离瓶颈的核心
研究内容：全面覆盖四类吸附材料，聚焦改性与机制创新
本文对2014-2025年Web of Science数据库中CH4/N2分离吸附材料相关研究进行了系统总结，从文献分析来看，过去十年该领域研究热度持续攀升，“高选择性-高容量”吸附材料一直是学术界的追求。同时本综述系统梳理了多孔碳材料、沸石、金属有机框架以及复合材料在CH4/N2分离领域的最新研究成果，深入解析了材料改性策略、吸附机制与工艺优化路径，为低浓度甲烷富集与高效分离提供关键技术参考，对缓解能源危机、减少温室气体排放具有重要意义。
本文要点：四类吸附材料各展所长，改性技术成关键
1. 多孔碳材料：低成本高容量，微孔调控是核心
多孔碳材料因制备简便、比表面积大可调控的多孔结构使其成为理想的吸附材料。但是其孔隙结构的复杂性直接影响了微孔尺度的甲烷吸附能力，其关键改性方向集中于微孔结构调控与表面化学修饰，以提高选择性和吸附能力。物理活化和化学活化的改性策略核心区别在于它们各自的孔隙形成机制和表面化学修饰的差距。活化方式的选择取决于前驱体特性，物理活化和化学活化的协同方式可减轻单一方法的局限性，有利与形成对环境又好，具有成本效益的高效改性策略。
2. 沸石（分子筛）：规则孔道 + 离子调控，平衡吸附优势显著
沸石因孔道规则、表面吸附位点可设计，在CH₄/N₂分离中具高选择性，且生产工艺成熟，是极具工业应用潜力的吸附材料。其关键改性聚焦离子交换改性与特殊孔隙结构新型沸石的设计合成：离子交换多用于后改性，通过调控交换时间、方式、固液比等调节交换程度，以改变沸石静电场非均质性；新型沸石构筑依赖骨架协同作用，适宜孔隙结构、表面势能、硅铝比是CH₄/N₂分离的关键。调控孔隙结构与表面化学性质可有效突破CH₄/N₂分离瓶颈。
3. MOFs材料：结构可设计性强，超微孔与功能化配体协同是突破口
金属有机框架（MOFs）作为新型多孔材料，依托金属节点与有机配体的模块化组装，可精准调控孔道尺寸与表面位点，是当前CH₄/N₂分离领域的研究热点。其核心设计策略为超微孔构筑与特征官能团有机配体筛选：超微孔可增加吸附位点，且有序孔道能缩短分子扩散路径、降低碰撞阻力以提升传质效率；环状或低极性配体则通过C−H...π 作用、氢键等弱相互作用，强化与CH₄的亲和力。二者并非独立，而是协同作用——高性能MOFs多兼具超微孔与低极性配体，以实现高效分离。
4. 复合材料：协同互补破局限，兼顾性能与成本
单一材料往往存在短板（如碳材料选择性低、MOFs 成本高、沸石容量有限），复合材料通过“优势互补”成为新方向。复合材料的构筑通常能发挥出1+1＞2的作用，是具有发展前景的方向。同时，一些新型材料如COF、IL/COF、HCP等的开发催生了CH4/N2分离新范式，具有低成本、高稳定性和超强吸附性能的复合材料的构思与合成非常可行。我们仍需进一步探索方能阐明这些复合材料的全部潜力。
该综述系统梳理了CH₄/N₂分离吸附材料的技术进展，紧扣低浓度甲烷的高效回收，可同步缓解能源危机与减少甲烷排放主题。未来吸附材料研究将向三方向突破：一是设计“收费站式孔口-高速路式孔道-服务区式吸附位点”新型结构，同步强化空间位阻、传质效率与平衡吸附；二是结合高通量计算、机器学习与分子模拟，加速材料筛选与性能预测；三是突破工业化瓶颈，解决吸附剂规模化生产、机械强度与循环稳定性问题。CH₄/N₂分离吸附材料的创新，既是材料科学突破，更是推动能源高效利用与环境治理协同的关键，为构建清洁低碳、安全高效的能源体系注入材料领域核心动力，助力能源转型与“双碳”目标，开启吸附技术新未来。
文章信息：Fanqi Min, Wenhui Bi, Xing Fan(樊星), Qing Liu*(刘庆), Peng Liang*（梁鹏）. Recent Advances in Adsorbents for CH4/N2 Separation: A Mini Review 2025, DOI: 10.1021/acs.energyfuels.5c02736.
