综述：多孔配位笼在气体存储与分离中的研究进展

这篇综述系统阐述了多孔配位笼（PCCs）作为新兴多孔材料在能源气体（H2、CH4）、温室气体（CO2）及工业气体（C2H4/C2H6等）存储与分离中的突破性进展，通过对比传统吸附剂（如MOFs/COFs）和常规方法（如低温液化），凸显了PCCs在可调控腔体结构、主-客体相互作用（host-guest interaction）及低能耗工艺中的独特优势。

　　

引言

能源与环境问题已成为全球焦点，气体如甲烷（CH₄）和氢气（H₂）作为清洁能源载体，其低密度与高扩散性导致存储与运输难题。传统方法依赖高压压缩或深冷液化（如-253°C储存液态氢），能耗极高。多孔固体吸附剂（如PCCs）通过温和条件下的物理吸附，提供了安全高效的替代方案。此外，工业气体（如乙烯C₂H₄）的纯化需求迫切，而PCCs相较于沸石和活性炭，凭借可设计的超微孔结构（<7 ?）和功能化灵活性，展现出显著优势。

设计策略与合成

PCCs的构建基于金属节点与多齿配体的几何匹配，例如四面体笼通过定向键合或对称交互策略组装（图2a-c）。铁基MOPs（如IRMOP-51）通过三核铁簇（Fe₃O(CO₂)₃(SO₄)₃）与羧酸配体连接，首次实现了H₂存储（2005年）。近年来，BET比表面积从624 m²/g跃升至3758 m²/g（介孔立方八面体笼），孔隙率提升显著。

气体存储应用

氢气存储：早期PCCs通过物理吸附捕获H₂，但容量有限。新型笼状结构通过金属-氢键强化结合能，例如镍基笼在77K下吸附量达1.5 wt%。

甲烷存储：柔性PCCs（如Cu₂₄L₂₄）通过动态孔道适应CH₄分子，在65 bar下实现220 cm³/g吸附量，接近美国能源部目标。

CO₂捕获：氨基功能化笼（如M₈L₁₂）通过化学吸附选择性捕获CO₂，在烟道气（CO₂/N₂混合气）中分离比达25:1。

气体分离性能

C₂H₂/C₂H₄分离：菱形窗口PCCs（如Zn₄L₆）通过尺寸筛分和π-π作用，实现C₂H₂吸附量（4.2 mmol/g）远超C₂H₄（1.8 mmol/g）。

Xe/Kr分离：放射性气体分离中，PCCs通过极化空腔优先吸附Xe，选择性比达12.5，优于商用沸石（<4）。

挑战与展望

当前PCCs面临溶剂残留导致孔隙坍塌、表征手段不足等问题。未来需开发原位表征技术（如原位XRD）解析气体结合位点，并探索机器学习辅助设计高稳定性笼结构。工业放大中，需平衡成本与性能，推动PCCs从实验室走向实际应用。