甲烷作为高效清洁能源广泛蕴藏煤层气中，但由于开采工艺的不同，其浓度梯度变化大，其中浓度低于0.75%的乏风瓦斯甲烷气通常被排空。据统计，我国每年被浪费的煤层气资源多达150亿立方米，造成了资源的极大浪费。由于甲烷与氮气动力学直径和极化率极为接近，二者分离成为乏风瓦斯资源化利用的关键难题。传统分离技术中，低温精馏法能耗高、操作复杂，膜分离难以兼顾高渗透性与选择性，变压吸附分离技术被认为是未来发展主流方向，其分离效率的提升关键在于高性能吸附材料的研发。研发高效的乏风瓦斯富集技术，对于推动低碳能源利用、减少温室气体排放意义重大。
我实验室聚焦于变压吸附法实现低浓度甲烷工业排放源乏风瓦斯的减排，围绕吸附材料设计与变压吸附工艺优化，系统梳理了不同吸附材料孔结构调控、表面改性及金属掺杂等对甲烷吸附容量与选择性的提升机制；汇总了以物理吸附（平衡效应、动力学效应、空间位阻效应）为核心分离机理，为高性能吸附材料的定向设计与工业应用提供理论支撑，助力双碳目标与能源资源高效利用的协同实现。
首先，我们综述了典型的多孔碳材料（活性炭、碳分子筛、活性炭纤维、碳纳米管和石墨烯等）在空气净化与污染削减中的应用（Journal of the Energy Institute 2025, 120, 102129）。多孔碳材料是甲烷氮气分离的关键载体，其微孔结构与表面化学特性共同决定分离性能，不同的材料可适配低浓度到中高浓度煤层气的不同需求。物理活化主导孔结构优化，化学活化侧重表面特性调控，二者结合可实现多孔炭吸附性能精准定制。该综述为CH4/N2分离选择性和与吸附容量提供核心手段。为低浓度煤层气的富集与资源化利用提供可行性方案。
接着，我们全面综述了不同吸附材料在CH4/N2分离领域的最新研究成果（Energy & Fuels 2025, 39, 16695−16714），深入解析了材料改性策略、吸附机制以及工艺优化路径，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。
最后，我们围绕沸石分子筛改性与分离性能展开系统综述（Chemical Engineering Research and Design 2025, 222, 205−226）。针对不同甲烷浓度煤层气需求，按照沸石种类分类。其中斜发沸石、钛硅沸石、SAPO类沸石选择性吸附氮气，适配高浓度甲烷提浓；ZK-5沸石、A/X/Y型沸石、ZSM-5沸石等选择性吸附甲烷，适配低浓度煤层气富集难题，覆盖全浓度煤层气处理需求。沸石分子筛与变压吸附工艺结合，可将乏风瓦斯富集至可用浓度，为双碳目标提供技术支撑。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.joei.2025.102129
https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5c02736
https://doi.org/10.1016/j.cherd.2025.09.010
