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從左至右：周旭、桂波、汪成、尹穎、章雅

天然氣（主要成分為甲烷）儲量豐富且碳排放較低，是一種可以替代傳統(tǒng)化石燃料來實現(xiàn)碳中和目標的重要過渡燃料。目前，高密度天然氣儲存主要為液化天然氣和壓縮天然氣，存在成本高、能耗大和安全隱患等問題。相比之下，吸附天然氣技術利用甲烷吸附劑在相對低壓下實現(xiàn)高效存儲，為車載運輸應用提供了一種安全、經(jīng)濟、環(huán)保的存儲替代方案。當前已有大量孔材料的甲烷吸附研究，但由于難以同時兼顧質量容量和體積容量，其性能仍難以滿足實用要求。理論分析表明，性能優(yōu)異的甲烷吸附多孔材料應具備高比表面積（> 4000 m2g-1）及適宜孔徑（0.8-1.5 nm）。共價有機框架（COF）是一類由有機分子構筑基元通過共價成鍵組裝、在二維或三維方向上形成的新型晶態(tài)多孔材料。由于其固有的多孔性和共價鍵連特性，如果合成超高比表面COF，可作為一種具有高穩(wěn)定性的甲烷吸附劑。從結構上看，相較于二維層狀體系，三維COF通常具備更高比表面積。然而，三維COF的合成和結構表征面臨巨大挑戰(zhàn)，而且常見的框架互穿問題會顯著降低其表面積。因此，構建具有超高比表面和合適孔徑的微孔三維COF以實現(xiàn)甲烷高密度存儲應用，意義重大但極具挑戰(zhàn)性。

汪成團隊以六連接立體節(jié)點與三角形分子為前體進行縮聚反應，成功設計合成了兩種席夫堿連接的超高比表面微孔三維COF（3D-TFB-COF-Me/Et）。通過三維電子衍射進行結構解析發(fā)現(xiàn)，兩種三維COF均具有一種罕見的自互鎖拓撲結構（alb-3,6-Ccc2）。由于避免了常見穿插拓撲結構中的緊密堆積，使框架孔徑減小的同時又保證構筑單元的充分暴露，兩種COF均表現(xiàn)出超高的質量比表面（~4400m2g-1）和體積比表面（~1900 m2cm-3）以及合適的微孔孔徑（1.1 nm）。甲烷吸附實驗表明，這兩種COF均具備優(yōu)異的高壓甲烷吸附性能，如在298 K及100 bar壓力下，3D-TFB-COF-Et的質量吸附容量為429 mg g-1，體積吸附容量則達到264 cm3(STP) cm-3。更重要的是，在298 K和5-100 bar壓力下，3D-TFB-COF-Et的甲烷體積工作容量超過了目前報道的所有晶態(tài)多孔材料。此研究不僅證實了COF在能源氣體儲存方面的重大應用潛力，還為構筑同時兼具高質量比表面和體積比表面的多孔材料提供了重要指導。

該工作得到了國家自然科學基金杰出青年科學基金項目、聯(lián)合基金重點支持項目、面上項目和湖北省自然科學基金創(chuàng)新群體項目的資助以及武漢大學科研公共服務條件平臺的支持。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr0936

汪成課題組鏈接：http://chengwang.whu.edu.cn/